ES2325939B2 - Concentrador optico de alta ganancia y parametros variables (copv). - Google Patents
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Abstract
Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables (COPV).
La presente invención tiene por objeto un
dispositivo que permite la concentración óptica de los rayos
luminosos que inciden sobre una parte del mismo denominada
"superficie o área de iluminación o captación (AI)" en otra
parte del dispositivo, denominada "superficie o área de
concentración (AC)". El sensor o célula o dispositivo sobre el
que se desee hacer incidir la luz concentrada se sitúa en la
posición definida como AC. Este sistema óptico de concentración
puede utilizarse en sistemas de producción de energía eléctrica
mediante la conversión de energía solar, situando en AC una célula
fotovoltaica o dispositivo análogo o en cualquier otro montaje en
el que interese conseguir una concentración de luz muy alta en un
área (AC) mucho menor que la superficie sobre la que incide la luz
(AI).
Entre las aplicaciones del dispositivo propuesto
destaca particularmente la generación de energía eléctrica a partir
de energía solar mediante sistemas fotovoltaicos de alta
concentración.
Description
Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables (COPV).
La presente invención tiene por objeto un
dispositivo que permite la concentración óptica de los rayos
luminosos que inciden sobre una parte del mismo denominada
"superficie o área de iluminación o captación (AI)" en otra
parte del dispositivo, denominada "superficie o área de
concentración (AC)". El sensor o célula o dispositivo sobre el
que se desee hacer incidir la luz concentrada se sitúa en la
posición definida como AC. Este sistema óptico de concentración
puede utilizarse en sistemas de producción de energía eléctrica
mediante la conversión de energía solar, situando en AC una célula
fotovoltaica o dispositivo análogo o en cualquier otro montaje en
el que interese conseguir una concentración de luz muy alta en un
área (AC) mucho menor que la superficie sobre la que incide la luz
(AI).
Entre las aplicaciones del dispositivo propuesto
destaca particularmente la generación de energía eléctrica a partir
de energía solar mediante sistemas fotovoltaicos de alta
concentración.
Los sistemas ópticos de concentración se
utilizan, principalmente en el ámbito de la energía solar
fotovoltaica (photovoltaic, PV). El objetivo de estos
sistemas es concentrar la luz incidente sobre los mismos en una
zona de tamaño (área) mucho menor en la que se sitúa la célula
fotovoltaica que convierte la luz incidente sobre la misma en una
corriente eléctrica.
Las prestaciones de los sistemas ópticos de
concentración se pueden evaluar definiendo dos parámetros
geométricos principales: el factor de concentración
(concentration ratio, CR) y la aceptancia angular (AA). El CR
es el cociente entre el área de captación de la luz, es decir, el
área del dispositivo sobre la que incide la luz que es transmitida
por el mismo, y el área de focalización que produce el dispositivo.
Como esta área es menor que la de captación, el CR es mayor que la
unidad. Cuando los sistemas tienen un CR > 200x suelen definirse
como "sistemas de alta concentración", aunque éste límite no
está definido de manera unívoca en la literatura. Por otra parte,
la AA define el semiángulo del cono de aceptación de luz del
dispositivo que garantiza que la luz transmitida por el mismo incide
sobre la célula (máximo ángulo respecto al eje del sistema que
puede formar un rayo incidente para que incida sobre la célula).
Por otra parte, la eficiencia óptica del sistema se define mediante
la transmisividad del mismo, dependiente de las características de
absorción y reflexión de la luz de los materiales con que se han
fabricado los elementos ópticos.
El conjunto formado por el sistema óptico de
concentración y la célula fotovoltaica (con su circuitería y
conexiones) se denomina "elemento" y es la unidad fundamental
productora de energía eléctrica. Habitualmente, un conjunto de
elementos se montan sobre una superficie común, formando un
"módulo", y un conjunto de módulos forma un "panel". El
panel está situado sobre una estructura soporte móvil, controlada
por un dispositivo de seguimiento solar (tracker) que,
controlado por un ordenador o sistema de procesado, orienta el panel
y, por tanto, a todos los módulos, apuntando en dirección al sol a
lo largo de las horas de iluminación del día. [(Benítez P:
Concentradores fotovoltaicos (I y II), en la Asignatura de
Doctorado "Sistemas fotovoltaicos de concentración", IES,
Universidad Politécnica de Madrid, 2006/07); (Benítez P:
Introducción a la Óptica Anidólica, en la Asignatura de Doctorado
"Sistemas fotovoltaicos de concentración", IES, Universidad
Politécnica de Madrid, 2002/03)].
Los sistemas ópticos de concentración pueden
clasificarse en los siguientes grupos:
- i)
- Sistemas de concentración basados en lentes de reflexión total interna (total internal reflexion, TIR)
- ii)
- Sistemas de concentración basados en lentes Fresnel planas
- iii)
- Sistemas de concentración basados en lentes Fresnel curvas
- iv)
- Sistemas de concentración basados en geometrías de telescopios
- v)
- Sistemas de concentración basados en grandes espejos concentradores.
También existen algunos sistemas basados en
combinaciones de lentes y espejos que pueden considerarse en los
grupos iv) y v) anteriores.
[Sala G: Sistemas Fotovoltaicos de
Concentración, Asignatura de Doctorado, IES, Universidad
Politécnica de Madrid, 2004].
Desde el punto de vista de su estructura de
componentes ópticos, hay sistemas con un único elemento óptico
(lente o espejo) o con dos componentes, denominados,
respectivamente, elementos ópticos primario y secundario. En este
caso, el primer elemento (lente o espejo) concentra la luz sobre el
segundo, que la redirige, homogeneizando el haz, sobre la célula
fotovoltaica. Este elemento secundario puede ser un componente TIR
-en los sistemas más sofisticados- o una lente (o conjunto de
espejos) en forma de pirámide invertida, con la célula en la zona
cercana al vértice. En los sistemas basados en lentes tipo Fresnel,
el elemento secundario se sitúa en la zona focal de la misma, por
lo que la distancia entre ambos elementos (primario y secundario)
es al menos del orden de la correspondiente distancia focal. Como
ésta suele ser del orden de 20 cm a 30 cm, el módulo resultante
tiene un tamaño (altura respecto al plano de la célula)
considerable, de escasa compacidad. Este mismo inconveniente sucede
en los sistemas que carecen de elemento secundario, en los que la
célula se sitúa directamente en el plano focal imagen de la lente.
[(Martinelli G: History and perspectives of PV concentrators:
Ferrara University experience. Università di Ferrara, 2007; (Mohr
A, Roth T, Glunz SW: BICON: High concentration PV using
one-axis tracking and silicon concentrator cells.
Prog. Photovolt.: Res. Appl., 14, 663-674,
2006); (Ryu K et al: Concept and design of modular Fresnel
lenses for concentration solar PV system. Solar Energy, 80,
1580-1587, 20069)].
Cuando los elementos ópticos no son formadores
de imagen, pero sí pueden utilizarse para transmitir luz se
denominan "non-imaging optics" o
elementos de "óptica anidólica". Habitualmente, los
elementos de este tipo funcionan redirigiendo la luz en su interior
mediante el fenómeno de reflexión total interna, aunque, a
diferencia de las lentes TIR, no pueden utilizarse para formar
imagen.
Por otra parte, tanto en los sistemas con un
elemento óptico enfocado a la célula como en los sistemas con dos
elementos ópticos resulta fundamental el perfecto alineamiento
entre los elementos o entre la lente y la célula. Esto introduce
notables dificultades en el mecanizado y montaje de los módulos,
puesto que pequeñas diferencias angulares entre los ejes ópticos de
ambos elementos producen que la luz concentrada no incida sobre la
célula o que salga reflejada o refractada fuera de la misma por el
segundo elemento. De esta manera, la AA de estos dispositivos es
muy reducida (típicamente, AA < 1º).
Los sistemas basados en una lente TIR y un
elemento secundario resultan notablemente más compactos que los
basados en lentes Fresnel (denominándose "sistemas planos")
pero, al estar separados ambos elementos, presentan el mismo
inconveniente de la necesidad de una precisión muy alta en el
alineamiento entre los dos elementos ópticos y, en consecuencia,
una AA muy reducida.
Así, la necesidad de que el haz focalizado por
el elemento primario converja sobre el secundario (físicamente
separado una cierta distancia) requiere que el haz luminoso solar
incida sobre la lente en la misma dirección definida por el eje
lente-célula o lente-elemento
secundario, de manera que resulta crítico -y de muy alto coste- la
utilización de un sistema de seguimiento de muy alta resolución que
mantenga perfectamente orientado el panel en todo momento. En este
sentido, las deformaciones y flexiones del mismo debido a la
estructura soporte, a la fuerza del viento o a otras circunstancias
reducen notablemente el rendimiento de los elementos porque sobre
las desviaciones y diferencias de alineamiento entre los ejes
ópticos y de iluminación produce que la luz enfocada por los
sistemas ópticos no incida sobre las células o lo haga
parcialmente. [(Araki K et al. Achievement of 27% efficient
and 200 Wp concentrator module and the technological roadmap toward
realization of more than 31% efficient modules. Solar Energy
Materials & Solar Cells, 90, 3312-3319,
2006); (Araki K et al: Packaging III-V tandem
solar cells for practical terrestrial applications achievable to
27% of module efficiency by conventional machine assemble
technology. Solar Energy Materials & Solar Cells, 90,
3320-3326, 2006)].
Los sistemas basados en grandes espejos
concentradores no se consideran en este análisis, puesto que se
trata de sistemas con tamaños que varían desde aproximadamente 1 m
hasta varias decenas de metros. Aún cuando consiguen factores de
concentración muy altos, por sus particulares condiciones de tamaño,
volumen y condiciones de funcionamiento son sistemas completamente
diferentes del dispositivo propuesto en este documento.
Dentro de los sistemas ópticos de concentración
utilizados en elementos montados en paneles para la producción de
energía eléctrica, las principales características de los sistemas
actualmente disponibles, incluyendo sus desventajas o
inconvenientes respecto al dispositivo propuesto, son los siguientes
(los tamaños son de cada elemento, no del panel o módulo compuesto
por múltiples elementos):
- Isofotón (España) [13]: CR hasta 1000x. Tamaño
(altura x diámetro) en el orden de 8 cm x 6 cm. AA \leq 1º.
Elementos primario y secundario TIR.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), dificultad de montaje y alineamiento de componentes
ópticos no modulares, coste. [(Gordon JM, Feuermann D: Optical
performance at the thermodynamic limit with tailored imaging
designs, Appl Opt, 44, 2327-2331, 2005);
(Luque A: Concentrators: the path to commercialisation of novel
sophisticated ultra high efficiency solar cells. Global School for
Advanced Studies, Hsinchu & Taipei, 2006)].
\vskip1.000000\baselineskip
- SoI3G (España) [13]: CR hasta 476x. Tamaño
(altura x diámetro) en el orden de 20 cm x 14 cm. AA \leq 1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada, gran volumen, dificultad de montaje y
alineamiento de componentes ópticos, coste.
- Guascor Fotón (desarrollado en USA) [13]: CR
hasta 400x. Tamaño (altura x diámetro) en el orden de 25 cm x 17
cm. AA \leq 1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada, gran volumen, dificultad de montaje y
alineamiento de componentes ópticos, coste.
\vskip1.000000\baselineskip
- Emcore (USA) [13]: CR hasta 500x. Tamaño
(altura x diámetro) en el orden de 25 cm x 20 cm. AA \leq 1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada, gran volumen, dificultad de montaje y
alineamiento de componentes ópticos, coste.
\vskip1.000000\baselineskip
- Concentrix (Alemania) [13]: CR hasta 500x.
Tamaño (altura x diámetro) en el orden de 8 cm x 10 cm. AA \leq
1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada, gran volumen, dificultad de montaje y
alineamiento de componentes ópticos, coste.
\vskip1.000000\baselineskip
- Amonix (USA): CR hasta 500x. Tamaño (altura x
diámetro) en el orden de 15 cm x 15 cm. AA \leq 1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada, volumen, dificultad de montaje y
alineamiento de componentes ópticos, coste.
\vskip1.000000\baselineskip
- Fraunhofer Institute for Solar Energy (FISE,
Alemania) y "The IOFFE Institute" (Rusia): CR hasta 500x.
Tamaño (altura x diámetro) en el orden de 25 cm x 15 cm. AA \leq
1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada, volumen, elementos ópticos no modulares,
dificultad de montaje y alineamiento de componentes ópticos,
coste.
\vskip1.000000\baselineskip
- Daido Steel - Toyota (Japón): CR hasta 500x.
Tamaño (altura x diámetro) en el orden de 10 cm x 12 cm.
AA \leq 1º.
AA \leq 1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada, volumen. Al basarse en la combinación
de una lente en forma de cúpula y un elemento secundario reflectivo
TIR, separado de la lente, gran dificultad de montaje y
alineamiento de componentes ópticos, coste. [(Araki K. et al:
A 550x concentrator system with dome-shaped Fresnel
lenses. Reliability and cost. 2006)].
\vskip1.000000\baselineskip
- Solfocus (USA) [13]: CR hasta 500x. Tamaño
(altura x diámetro) en el orden de 8 cm x 31 cm. AA \leq 1º.
Inconvenientes: AA muy reducida (y, por tanto,
necesidad de sistema de seguimiento solar (tracker) de altas
prestaciones), CR limitada. Al basarse en geometría de telescopio
tipo Cassegrain, presenta gran dificultad de montaje y alineamiento
de componentes ópticos (espejos curvos primario y secundario y
otros), coste.
\vskip1.000000\baselineskip
No se describen al ser sistemas de gran tamaño
(en el rango de 1 m a 10 m) y, por tanto, condiciones de
fabricación, montaje y uso totalmente diferentes a los objetivos de
interés para un sistema como el propuesto. Se incluyen en este
apartado tanto los sistemas basados en espejos planos como los
platos o valles parabólicos y similares.
Figura 1. Perfil de los segmentos que definen la
lente de reflexión total interna denominada "pieza E1" o etapa
E1 del dispositivo. La pieza E1 se obtiene por revolución de este
perfil en torno al eje "y" vertical (x=0). La escala de tamaño
es E: 1 Unidad = 10 mm. y2 = perfil de la parte superior, definida
por una circunferencia de centro en el eje vertical con R = 2; y
coordenadas del centro (C) (normalizadas al radio), (x0/R) = 0;
(y0/R) = -0.0124. y1 = perfil de la superficie lateral definido por
una curva logarítmica generalizada del tipo y = k
log[a](x-b)+c, con a=1.2, b=0, c=0.15 y k=1.
y3 = perfil de la base definida por una sección plana (recta)
perpendicular al eje longitudinal en yb = -4.5. En la zona aumentada
se muestra la superficie de apoyo y sujeción para mecanizado y
montaje definidas por secciones planas paralelas al plano de apoyo
del dispositivo (también pueden ser secciones planas paralelas al
eje longitudinal). Las dimensiones físicas de este diseño del
dispositivo son: altura H = 63.85 mm, diámetro de la parte
superior
D = -4.4 mm, diámetro de la parte inferior (anchura de y3) dmin = 4 mm. Valor máximo del factor de concentración CR(E1) = 72.25; Diámetro efectivo de entrada de luz: De = 1.7 mm, AA = 9º (cono de \pm9º, ángulo total de 18º), compacidad Comp = (HID) = 1.5574.
D = -4.4 mm, diámetro de la parte inferior (anchura de y3) dmin = 4 mm. Valor máximo del factor de concentración CR(E1) = 72.25; Diámetro efectivo de entrada de luz: De = 1.7 mm, AA = 9º (cono de \pm9º, ángulo total de 18º), compacidad Comp = (HID) = 1.5574.
Figura 2. Perfil de los componentes que definen
la pieza o etapa E2 del dispositivo. La pieza E2 se obtiene por
revolución de este perfil en torno al eje "OY" horizontal, que
es eje de simetría de la misma. La escala de tamaño se define en
relación con la pieza E1 puesto que el diámetro de entrada de E2 (d)
debe ser igual al diámetro de salida (dmin) de E1: d = dmin. D =
diámetro y R = radio de cada una de las dos lentes esféricas
(iguales). EFL = distancia
focal efectiva, BFL = distancia focal posterior y F = posición del foco de las lentes esféricas. La zona de concentración de luz donde se sitúa la célula fotovoltaica (en la posición 6 a lo largo del eje) corresponde a un diámetro iluminado "di". 1 = extremo inferior de la pieza E1, pegado o sujeto por presión (u otro procedimiento) al cilindro (3), alojamiento de las lentes esféricas. 2 = trayectoria (cono) de salida de los rayos luminosos procedentes de la pieza E1.
4 = trayectoria de los rayos luminosos colimados por la primera lente esférica y 5 = trayectoria de los rayos luminosos concentrados por la segunda lente esférica. El resalte (o pieza introducida) (11) mantiene a las esferas en contacto entre sí y con la superficie de salida de la pieza E1.7 = plano (superficie) de apoyo y montaje de la célula (6) y sus conexiones (no se muestran). Esta superficie, de un material con alta conductividad térmica, transmite el calor a la base de apoyo del dispositivo completo (9) sobre la que están montados, a su vez, los disipadores de calor (10), representados por perfiles de tipo aletas o de cualquier otro tipo. La base soporte (7) puede estar roscada o pegada o sujeta por otro medio en (8) al cilindro soporte (3).
focal efectiva, BFL = distancia focal posterior y F = posición del foco de las lentes esféricas. La zona de concentración de luz donde se sitúa la célula fotovoltaica (en la posición 6 a lo largo del eje) corresponde a un diámetro iluminado "di". 1 = extremo inferior de la pieza E1, pegado o sujeto por presión (u otro procedimiento) al cilindro (3), alojamiento de las lentes esféricas. 2 = trayectoria (cono) de salida de los rayos luminosos procedentes de la pieza E1.
4 = trayectoria de los rayos luminosos colimados por la primera lente esférica y 5 = trayectoria de los rayos luminosos concentrados por la segunda lente esférica. El resalte (o pieza introducida) (11) mantiene a las esferas en contacto entre sí y con la superficie de salida de la pieza E1.7 = plano (superficie) de apoyo y montaje de la célula (6) y sus conexiones (no se muestran). Esta superficie, de un material con alta conductividad térmica, transmite el calor a la base de apoyo del dispositivo completo (9) sobre la que están montados, a su vez, los disipadores de calor (10), representados por perfiles de tipo aletas o de cualquier otro tipo. La base soporte (7) puede estar roscada o pegada o sujeta por otro medio en (8) al cilindro soporte (3).
Figura 3. Vista de conjunto (perfil en el plano
"xy") del Concentrador óptico propuesto. El sistema tiene
simetría de revolución en torno al eje horizontal (OY) y su
orientación de funcionamiento es vertical (eje OY vertical). Por
claridad, se ha representado el sistema en posición horizontal
mostrándose los elementos únicamente en la mitad superior de la
figura. Los rayos de luz incidentes (17) se representan, por tanto,
en el eje horizontal, de izquierda a derecha. (1) es la lámina de
cristal de cobertura opcional, (2) es la lente de reflexión total
interna (pieza o etapa E1). (3) y (4) son, respectivamente, la
primera y segunda lentes esféricas de la pieza o etapa E2,
contenidas en el cilindro (12), mantenidas en su posición por la
pieza (11). (5) es la base de apoyo del módulo (dispositivo)
completo, sobre la que se sitúa la célula fotovoltaica o sensor (8),
situada sobre la pieza (7) que la sitúa a la distancia adecuada de
la esfera (4) para alcanzar el nivel de concentración de luz
adecuado (sobre la superficie AC, cara iluminada de (8)). El
contacto térmico para la evacuación de calor de la célula (8) con la
base de apoyo (5) (en contacto con los disipadores (9)) se realiza
a través de la pieza (7) pero puede aumentarse mediante la pasta de
conducción térmica (6) depositada en el contorno de (8) y sobre
(5). Los disipadores de aleta (9) (o de otro tipo) están unidos a
la base (5). La lente E1 (2) está sujeta mediante la pieza (15),
unida a la zona de sujeción de la lente y a la estructura (18)
(varilla o pared) que soporta el sistema completo: la cubierta (1)
se fija a (18) en (16) y la base (5) en (10). La pieza (11)
mantiene en su posición a las esferas (3) y (4), en contacto entre
ellas en el punto Q, en el interior del cilindro (12), sujeto a la
base (5) en (19). En la lente E1 (2), C es la posición del centro
de curvatura de su superficie esférica anterior, D es su diámetro,
Fp es la posición del foco paraxial definido por la distancia focal
efectiva y F1 es la posición del foco sobre el que inciden los rayos
que no cumplen la aproximación paraxial (rayos que inciden muy
separados del eje óptico y de simetría del sistema). AC1 es el área
de concentración de luz a la salida de E1 y AC es el área de
concentración del sistema completo. H1 = 63.85 mm y H2 = H1/2 son
las longitudes totales de las piezas (etapas) E1 y E2 que componen
el concentrador.
El dispositivo objeto de la presente invención
consta de dos partes denominadas "etapa primaria (E1)" y
"etapa secundaria (E2)", siendo opcional utilizar las dos
(montando una a continuación de la otra) o únicamente la primaria.
El dispositivo funciona redirigiendo los rayos luminosos que
inciden sobre el área de captación (de E1) mediante los fenómenos
físicos de refracción y reflexión total interna (total internal
reflexion, TIR) de la luz en las superficies fronteras
separadoras del exterior y de los medios (materiales) de que está
hecho el dispositivo.
La E1 es, en resumen, una lente TIR (lente
anidólica) con un nuevo diseño de simetría cilíndrica de revolución
en torno a su eje longitudinal mientras que la E2 es el conjunto
formado por dos lentes esféricas que coliman y concentran el haz
luminoso emergente de E1.
El conjunto E1+E2 forma una unidad (módulo),
dotado de una estructura soporte propia, que puede mecanizarse y
montarse individualmente o formando un conjunto (matriz o
array). El conjunto de dos lentes esféricas que constituye E2
está contenido en un cilindro solidariamente unido a E1 y coaxial
con E1.
Cada módulo (E1+E2) consta, asimismo, de un
conjunto de disipadores de calor (aletas disipadoras o heat
sinks), solidariamente unidas a E1 o E2 que disipan el calor
producido por la concentración luminosa.
Cada módulo puede tener, opcionalmente, una
superficie de cristal (o de otro material transparente), plana o de
otra forma, situada sobre la superficie de captación de E1. Esta
lámina plana resulta de interés cuando se montan un conjunto de
módulos sobre un plano soporte para situarse a la intemperie puesto
que evita la acumulación de suciedad en los espacios entre módulos,
facilitando su limpieza bien mediante medios mecánicos (sistemas
limpiadores, agua, ...)
o simplemente mediante la acción del viento (especialmente si el plano está inclinado).
o simplemente mediante la acción del viento (especialmente si el plano está inclinado).
Cada módulo (E1+E2) puede, asimismo, estar
montado sobre una superficie de apoyo, sobre la que se fija la
estructura soporte de E1. La célula fotovoltaica puede estar
situada sobre esta superficie de apoyo, a la distancia de E2
definida por el factor de concentración que se desee alcanzar, o
directamente unida a E2 (pegada o solidariamente unida).
En cualquier caso, no es necesario que el módulo
(E1+E2) ni E2 (ni ningún otro elemento) descansen (apoyándose)
sobre la célula o sensor, evitándose el posible daño a la misma por
el peso y/o presión de los componentes y la necesidad de un medio
intermedio adecuado.
El funcionamiento del dispositivo propuesto
puede describirse como sigue: la luz incidente sobre el AI es
concentrada sobre el área de concentración de E1, llamada AC1, y
sale (emerge) de E1 atravesando AC1 en forma de un haz divergente,
contenido en el denominado "cono de salida de E1".
La E2 es el conjunto formado por dos lentes
esféricas contenidas en un tubo cilíndrico acoplado al cuerpo de
E1, coaxial con E1 y cuyo eje óptico y de simetría coincide con el
eje de simetría de E1.
Los parámetros de E2 (diámetro de las esferas,
distancia focal efectiva y posterior, y apertura numérica), son
calculados de tal manera que el cono de salida de E1 entre en el
cono de entrada ("cono de aceptación") de la primera esfera de
E2. Ese haz de luz emerge de esa primera esfera en forma de un haz
colimado que al incidir sobre la segunda esfera es concentrado por
ésta en forma de un cono de salida cuya sección (perpendicular al
eje) disminuye a lo largo del eje del sistema hasta llegar al punto
focal (foco imagen) de la segunda esfera de E2. Esa sección del
cono de salida de la segunda esfera de E2 a lo largo del eje del
sistema es el "área de concentración (AC)" del sistema y puede
hacerse tan pequeña como se desee, desde la posición inmediatamente
en contacto con la segunda esfera de E2 (posición de mínima
concentración) hasta situarse en el referido foco de la segunda
esfera de E2 (posición de máxima concentración).
Como el factor de concentración del sistema
completo se define como el cociente cuadrático entre el área de
iluminación (o captación) y la citada superficie de concentración
(CR = (AI/AC)^2)), y esta superficie de concentración puede hacerse
tan pequeña como se desee, el factor de concentración o ganancia
puede ser extremadamente elevado. Como se deduce del rango de
posiciones posibles del AC, ésta puede corresponder a que el sensor
o célula esté o no en contacto físico con el dispositivo. En el
caso en que se sitúe el sensor en contacto con la segunda esfera de
E2, este contacto puede hacerse directamente o utilizando un medio
intermedio (coma una silicona óptica u otro material transparente de
índice de refracción adecuado para que la luz emergente de E2
incida sobre el citado sensor).
El sensor o célula donde se desee hacer incidir
la luz para su conversión en electricidad (célula fotovoltaica) o
cualquier otro fin debe situarse así perpendicular al eje óptico
(de simetría del sistema), en cualquier posición en el mismo
comprendida entre las referidas posiciones de mínima y máxima
concentración.
Según los valores numéricos que se asignen
(durante el proceso de fabricación) a los parámetros de diseño del
dispositivo que definen la forma geométrica del mismo, el tamaño
del AC (y de las otras dimensiones del dispositivo) puede hacerse
muy pequeño en relación al AI, por lo que el denominado "factor de
concentración o ganancia" (concentration ratio, CR) puede
ser muy elevado, superior a 2000x o incluso mayor.
Otra de las propiedades más importantes de los
sistemas de concentración y, en particular, del dispositivo
propuesto es su "aceptancia angular (AA)" o cono de máxima
entrada de luz: el cono de (máxima) entrada de luz en el sistema (o
"aceptancia angular del sistema") está definido por el (doble
del) ángulo formado por el eje óptico (eje de simetría) del sistema
y la dirección del rayo que, incidiendo sobre el límite de la
superficie de aceptación (AI de de E1), forma el máximo ángulo tal
que, tras incidir en E1, sea redirigido (mediante las sucesivas
reflexiones TIR) hacia el AC del dispositivo. Rayos que incidan
sobre el dispositivo formando (con el eje óptico) ángulos
superiores a ese valor de la aceptancia angular no verificarán en
el interior de E1 las condiciones de TIR y, en consecuencia, no
serán reflejados a lo largo del eje hacia la superficie AC.
Escogiendo adecuadamente los parámetros de diseño, con el
dispositivo propuesto es posible conseguir valores de la aceptancia
de unos 10º-15º (correspondientes a conos de ángulo \pm10º o
\pm20º, es decir, conos de ángulo total comprendido entre
20º-30º) e incluso superiores. Este es un factor muy importante en
las aplicaciones de captación de energía solar: los sistemas
actualmente disponibles tienen una aceptancia angular muy reducida
(típicamente de \pm1º) por lo que necesitan montar los paneles
con los concentradores ópticos y las células fotovoltaicas sobre
estructuras de soporte con posicionadores automatizados de
seguimiento y apuntamiento al sol (sistemas seguidores o
"trackers") de muy altas prestaciones (precisión y
fiabilidad) que son muy difíciles de construir y de muy alto coste.
Con el dispositivo propuesto, dada su alta aceptancia angular, es
posible utilizar sistemas de seguimiento de bajas prestaciones (y
coste muy reducido) e incluso sistemas estáticos o con únicamente
dos posiciones de orientación.
Desde el punto de vista del volumen y peso del
dispositivo propuesto es importante destacar que se trata de un
dispositivo cuyas dimensiones físicas son 1 reducidas, por lo que su
peso, volumen y coste también. Para el diseño que se muestra en las
Figuras 1 a 3, su altura total está comprendida entre 6 cm y 15 cm
y su diámetro máximo entre 4 cm y 20 cm, según las características
de concentración (CR y AA) que se desee conseguir. Estos valores
son destacables si tenemos en cuenta que los dispositivos
concentradores disponibles i) basados en lentes de Fresnel tienen
una altura del orden de 30 cm o superiores y un diámetro del orden
de 25 cm o superiores, para conseguir factores de concentración del
orden de 500x, con aceptancia angular muy reducida (del orden de AA
\leq 0.5º) y de difícil y costoso montaje (por la necesidad de
alinear -con muy alta precisión- la lente y la célula) y ii) los
más avanzados, basados en lentes TIR más un elemento secundario,
aún teniendo tamaños menores (altura del orden de 8 cm y diámetros
del orden de 5 cm) con factores de concentración de 1000x, tienen
igualmente una aceptancia angular muy reducida (AA \leq 1º),
siendo, asimismo, de muy difícil y costoso montaje (por la
necesidad de alinear -con muy alta precisión- las lentes y los
elementos secundarios).
Las principales características del sistema
propuesto son así, en comparación, con los sistemas actualmente
disponibles, las siguientes:
- i)
- factor de concentración geométrica (CR) variable desde valores bajos (en el orden de 10x) hasta valores muy altos (superiores a 2000x) sin más que modificar la posición relativa de la célula o sensor de la luz en el eje óptico del sistema
- ii)
- alta aceptancia angular (AA), con cono de aceptación de ángulo comprendido en el rango 10º-30º y superiores, lo que reduce en muy gran medida los requisitos de un sistema de seguimiento solar, pudiendo llegar a ser éste innecesario.
- iii)
- posibilidad de diseñar el dispositivo adaptado el tamaño de la AC del sistema (definido por la forma de E1 o por la posición respecto a E2) a las dimensiones de la célula o sensor de luz
- iv)
- tamaño, volumen y peso reducidos, muy compacto. Posibilidad de tener tamaños (alturas) suficientemente reducido como para montar "paneles planos".
- v)
- posibilidad de modificar todos los parámetros anteriores cambiando únicamente los parámetros numéricos en las ecuaciones de diseño
- vi)
- dispositivo modular, de fabricación, mecanizado y montaje que puede ser independiente para cada dispositivo, que consta de dos piezas compactas (etapas E1 y E2)
- vii)
- gran capacidad de disipación de calor dado el gran espacio disponible en la base del dispositivo para situar disipadores de calor convencionales
- viii)
- posibilidad de incorporar una lámina (tapa) protectora plana en su parte superior para facilitar su limpieza y evitar la acumulación de suciedad
- ix)
- posibilidad de compensar las pérdidas de eficiencia debidas a materiales de baja eficiencia óptica aumentando el CR geométrico como se indica en el punto i) anterior
- x)
- facilidad de fabricación de la pieza E1, en materiales convencionales y de reducido coste
- xi)
- utilización de lentes esféricas convencionales, disponibles comercialmente, para el montaje de la pieza E2
- xii)
- facilidad de montaje y mecanizado de las piezas E1 y E2 juntas
- xiii)
- no es necesario apoyar nada directamente sobre la célula o sensor de luz, lo que elimina su posible deterioro por la presión experimentada.
Como se ha indicado, el sistema propuesto tiene
utilidad en cualquier aplicación industrial o de investigación o de
cualquier otro tipo en que sea necesario concentrar la luz
incidente sobre el mismo en un área mucho menor que el área de
incidencia, en la que se sitúe un sensor o célula receptora, con las
referidas condiciones de ganancia (factor de concentración),
aceptancia angular, compacidad, volumen y peso y coste de
fabricación. Entre estas aplicaciones destaca particularmente la
generación de energía eléctrica a partir de energía solar mediante
sistemas fotovoltaicos de alta concentración.
La forma de la pieza E1 se define caracterizando
la forma de su perfil en un plano meridiano que contenga a su eje
de simetría y rotando ese plano en torno al citado eje. Así, en un
plano meridiano, y tomando como eje de simetría el eje óptico del
sistema completo, la lente E1 está definida por i) la intersección
de una curva circunferencia (o elipse) que define su cara anterior
(superficie AI, en la que tiene lugar la entrada de los rayos de
luz en el sistema), ii) las dos ramas de una curva logarítmica (que
define las paredes laterales de la E1, donde tienen lugar las
sucesivas reflexiones TIR que llevan los rayos de luz a la
superficie AC) y iii) una línea recta que define la superficie
plana que forma el AC. La zona de la superficie de iluminación
(aceptación) cercana a la intersección con las paredes laterales se
puede hacer plana (paralela al eje de revolución) para facilitar su
sujeción en el proceso de fabricación, montaje y ensamblado.
Como se ha indicado, cada módulo (E1+E2) puede,
asimismo, estar montado sobre una superficie de apoyo, sobre la que
se fija la estructura soporte de E1. La célula fotovoltaica o
sensor puede estar situada sobre esta superficie de apoyo, a la
distancia de E2 definida por el factor de concentración que se desee
alcanzar, o directamente unida a E2 (pegada o solidariamente
unida), no siendo necesario que el módulo (E1 +E2) ni E2 (ni ningún
otro elemento) descansen (apoyándose) sobre la célula o sensor,
evitándose el posible daño a la misma por el peso y/o presión de
los componentes.
La lente que forma E1 puede estar hecha de
material acrílico de uso óptico (por ejemplo, PMMA), metacrilato,
cristal o vidrios ópticos y ser elaborada mediante los
procedimientos convencionales (incluyendo los de bajo coste de
fabricación) de moldeado, inyección, pulido y otros. Las lentes
esféricas que forman E2 deben ser de un material de alto índice de
refracción, como vidrios ópticos y, para las dimensiones requeridas
para las células solares actualmente utilizadas (cuadradas, de lado
comprendido entre 1 mm y 10 mm) son de tamaño y características
estándar, pudiendo ser adquiridas a diversos fabricantes de
componentes ópticos. El tubo cilíndrico soporte donde se alojan
estas lentes puede hacerse de un material que facilite la
disipación térmica, como aluminio, cobre u otros. La estructura
soporte de E1 y el plano soporte pueden ser de estos u otros
materiales, según el proceso de fabricación. La lámina plana
opcional debe ser de un cristal óptimamente transparente, con una
combinación adecuada de baja reflectividad y absorción y
resistencia adecuada.
En cualquier caso, el empleo (para fabricar E1 o
en la citada lámina plana de cobertura o en E2) de materiales de
bajo coste con reducida eficiencia óptica (alta reflectividad y
absorción, que reducirían notablemente la energía transmitida y, en
consecuencia, la energía incidente sobre la célula o sensor) puede
compensarse situando la referida célula fotovoltaica o sensor en
una posición (a lo largo del eje óptico) más próxima al punto focal
imagen de la segunda esfera de E2 (puesto que así se aumenta el
factor de concentración geométrico que proporciona el sistema).
Cada módulo (E1+E2) consta, asimismo, de un
conjunto de disipadores de calor (aletas disipadoras o heat
sinks), solidariamente unidas a E1 o E2 que disipan el calor
producido por la concentración luminosa. Estos disipadores pueden
ser disipadores de aleta convencionales (de aluminio), situados
(unidos) sobre la superficie de apoyo de la estructura de sujeción
del módulo (E1+E2) y en contacto con la superficie de apoyo o cara
posterior de la célula fotovoltaica o sensor, para disipar,
mediante convección, el calor acumulado en la misma por la
concentración de los rayos luminosos. Es importante destacar que el
área efectiva disponible para situar disipadores es, en cada
módulo, el área correspondiente a la superficie de entrada (AI)
menos el área (sección) de E1 o del cilindro de E2 (máximo valor de
AC). Como el área AI es mucho mayor que AC, la superficie disponible
para montar disipadores es casi igual a AI. La altura que pueden
tener los disipadores es la comprendida entre la superficie (base)
de apoyo del módulo (E1+E2) y el borde de sujeción de la pieza
E1.
Formas de cada una de las partes que constituyen
el dispositivo:
i) La forma de cada una de los segmentos que
constituyen la pieza E1 (Figura 1, con eje horizontal OX y vertical
OY, siendo este último el eje de simetría y eje óptico del sistema)
está definida por las siguientes curvas (considerando el sistema
con orientación vertical e incidencia de la luz de arriba
abajo):
- i.1)
- \underbar{parte superior}: definida por una circunferencia de centro en el eje vertical (de simetría) o por una elipse centrada en el eje vertical, con eje mayor horizontal.
- i.2)
- \underbar{parte lateral}: definida por una curva logarítmica generalizada del tipo y = k log[a](x-b)+c, siendo a=base del logaritmo, b=posición de la asíntota, c=desplazamiento en el eje vertical y k=factor de amplitud.
- i.3)
- \underbar{base}: definida por una sección plana (recta) perpendicular al eje longitudinal (OY),
- i.4)
- \underbar{superficies de apoyo y sujeción}: para mecanizado y montaje: definidas por secciones planas (rectas o curvas) perpendiculares al plano de apoyo (plano perpendicular al eje) del dispositivo.
Como se ha indicado, la pieza E1 se genera
mediante la revolución, con eje el de simetría de la figura, del
perfil representado en la Figura 1.
ii) Las lentes esféricas que constituyen E2
tienen las siguientes características:
- n1 =
- índice de refracción del medio que envuelve a la esfera (aire)
- n2 =
- índice de refracción del medio del que está hecha la esfera
- D =
- diámetro de la esfera
- d =
- diámetro de entrada de luz en la esfera. Interesa que el cociente (d/D) sea pequeño para la validez de la aproximación y de la ecuación de la apertura numérica. El valor de "d" debe coincidir con el diámetro de la superficie de salida de luz (AC1) de E1.
- F =
- distancia focal efectiva (effective focal length, EFL, medida desde el centro de la esfera).
- BFL =
- distancia focal posterior (back focal length, medida desde el punto intersección del eje óptico del sistema con la parte posterior de la esfera)
- AN =
- apertura numérica. Medida del cono de entrada/salida de luz en la esfera.
Con los parámetros y variables anteriores se
tiene que las relaciones entre ellos son:
- \quad
- F = n D/(4 (n2-n1));
- \quad
- BFL = F - (D/2);
- \quad
- AN = 2 d (n2-n1)/(n D);
Como se muestra en la Figura 2, la parte E2 del
dispositivo propuesto consta de dos esferas iguales, en contacto
entre sí, y con la superficie de salida de luz (AC1) de E1,
alineadas en el eje de E1, y contenidas en un cilindro de sujeción
solidariamente unido a E1.
Claims (17)
1. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables caracterizado porque consta de
- \bullet
- Una lente de reflexión total interna, pieza o etapa E1, con simetría de revolución en torno al eje óptico de la misma, cuyo perfil está definido por la intersección de una circunferencia o elipse que define la superficie de entrada de luz y una curva logarítmica generalizada que define su pared lateral, que recoge los rayos luminosos incidentes sobre la cara de entrada y los concentra, tras varias reflexiones totales internas en su pared lateral, en la base de la misma.
- \bullet
- Un conjunto colimador y concentrador de luz, pieza o etapa E2, compuesto por dos lentes esférica alojadas en un cilindro que se sitúa a la salida de la lente E1, coaxial con E1, que colima el haz emergente de E1, lo homogeneiza y lo concentra en un cono de salida de luz cuyo eje es el de E1 y E2 y cuyo vértice es el punto focal de la segunda esfera de E2
- \bullet
- Una tapa o cubierta de material de propiedades ópticas adecuadas que protege a las piezas E1 y E2 y, cuando se monta más de un módulo en una misma estructura impide la acumulación de suciedad en los espacios entre módulos y facilita su limpieza
- \bullet
- Una base y estructura de soporte de las piezas E1 y E2 y de la cubierta, sobre la que se monta, asimismo, un conjunto de disipadores de calor que limitan la temperatura que alcanza la célula o sensor sobre la que incide la luz concentrada.
2. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicación 1,
caracterizado por ser un módulo compuesto por las piezas o
etapas E1 y E2, su base y estructura soporte y, opcionalmente, una
tapa o cubierta de cristal u otro material de propiedades ópticas
adecuadas.
3. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado por ser un módulo que, tanto en su fabricación
y mecanizado como en instalación o implementación puede montarse
individualmente o en combinaciones tipo matriz, mosaico, array, en
paneles o soportes individuales o combinados.
4. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 3,
caracterizado porque concentra la luz incidente sobre la
cara anterior o de entrada del mismo en una superficie mucho menor,
de tamaño variable, en la que se sitúa la célula fotovoltaica o
sensor sobre el que se desea hacer incidir la luz concentrada, de
tal manera que la regulación del factor de concentración se alcanza
modificando la distancia entre E2 y la célula o sensor sobre la que
incide la luz.
5. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 4,
caracterizado porque al realizarse la captación y entrada de
la luz y una primera concentración relativamente baja en la pieza o
etapa E1 y la homogeneización y una segunda concentración en la
pieza o etapa E2, el factor de concentración total de la luz del
dispositivo completo es variable en un rango muy amplio, desde baja
concentración, en el orden de 5x o inferior, hasta muy alta
concentración, superior a 2000x, dependiente de los parámetros
geométricos de diseño de las partes E1 y E2 y de la distancia
respecto a E2 a la que se sitúe la célula fotovoltaica o sensor
sobre el que se desea hacer incidir la luz concentrada.
6. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 4,
caracterizado porque la aceptancia angular es muy amplia,
superior a 20º y variable, dependiente de los parámetros geométricos
de diseño de las partes E1 y E2.
7. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque al realizarse la captación y entrada de
la luz y una primera concentración relativamente baja en la pieza o
etapa E1 y la homogeneización y una segunda concentración en la
pieza o etapa E2, el tamaño, volumen y peso del sistema completo es
pequeño, siendo muy compacto.
8. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 3,
caracterizado porque al estar solidariamente unidas las
piezas o etapas E1 y E2, en un montaje coaxial con un cilindro de
sujeción que contiene a las esferas, y al que puede, opcionalmente,
unirse la plataforma de apoyo soporte de la célula o sensor sobre la
que se desea hacer incidir la luz concentrada, el alineamiento de
los componentes E1, E2 y célula o sensor en el eje óptico de
simetría del sistema puede realizarse de manera simplificada y sin
necesidad de requisitos elevados de precisión y tolerancias
angulares de montaje.
9. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1, 3 y 4,
caracterizado porque la forma de la lente de reflexión total
interna puede modificarse para cambiar su tamaño manteniendo sus
características de transmisión de luz por reflexión total interna a
lo largo del eje longitudinal de simetría de la misma mediante la
variación de los parámetros de las ecuaciones, circunferencia o
elipse y logaritmo generalizado, que definen el perfil de la
misma.
10. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1, 4 y 5,
caracterizado porque la lente de reflexión total interna
puede fabricarse de vidrio, cristal óptico o de plásticos tipo
acrílicos, metacrilato, PMMA, mediante procedimientos de moldeado,
tallado e inyección.
11. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque la pieza colimadora y concentradora de
luz, E2, está compuesta por dos lentes esféricas, cuyo diámetro
puede seleccionarse para que la distancia focal posterior y, por
tanto, el cono de salida de la luz tenga las dimensiones adaptadas
al tamaño de la célula o sensor sobre el que se desea concentrar la
luz.
12. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según la reivindicación 11,
caracterizado porque la forma y material de realización de
las lentes esféricas que forman E2 pueden elegirse de manera que la
distancia focal posterior de las esferas sea muy reducida o nula y
la célula o sensor sobre la que se desea hacer incidir la luz puede
estar en contacto directo, pegada o apoyada o sujeta mediante otro
procedimiento con la superficie posterior de la segunda esfera.
13. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según la reivindicación 12,
caracterizado porque este posicionamiento de la célula sobre
la que se desea hacer incidir la luz, superficie posterior de la
segunda esfera de E2, no tiene que realizarse apoyando la lente
sobre la célula, sino que la lente está sujeta por la estructura
soporte del módulo y la célula puede ir adherida o sujeta en la
citada posición por cualquier procedimiento, no teniendo lugar así,
en ningún caso, el daño o deterioro de la célula por el peso de la
lente ni de ningún otro elemento del sistema.
14. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 y 7,
caracterizado porque la pieza E2 puede ser opcional y puede
situarse la célula o sensor sobre la que se desea hacer incidir la
luz captada por el dispositivo directamente en contacto con la
superficie de salida de la lente E1.
15. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según la reivindicación 14,
caracterizado porque este posicionamiento de la célula sobre
la que se desea hacer incidir la luz en contacto directo con la
superficie de salida de la luz de la lente E1 no tiene que
realizarse apoyando la lente sobre la célula, sino que la lente
está sujeta por la estructura soporte del módulo y la célula puede
ir adherida o sujeta en la citada posición por cualquier
procedimiento, no teniendo lugar así, en ningún caso, el daño o
deterioro de la célula por el peso de la lente ni de ningún otro
elemento del sistema.
16. Concentrador óptico de alta ganancia y
parámetros variables según la reivindicaciones 1 a 11,
caracterizado porque los parámetros de diseño de la lente E1
o de las lentes esféricas de la pieza E2 o ambas, pueden modificarse
para que la superficie de salida coincida con la superficie de la
célula o sensor sobre la que se desea hacer incidir la luz
concentrada, optimizándose así la iluminación para su
rendimiento.
17. Utilización del concentrador óptico de alta
ganancia y parámetros variables según el dispositivo descrito en
las reivindicaciones 1 a 16, para la generación de energía
eléctrica a partir de energía solar mediante sistemas fotovoltaicos
de alta concentración.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ES200702479A ES2325939B2 (es) | 2007-09-14 | 2007-09-14 | Concentrador optico de alta ganancia y parametros variables (copv). |
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| EC2A | Search report published |
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