ES2352714A1 - Dispositivo de generación de energía solar. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de generación de energía solar. Dispositivo (1) de generación de energía solar, que comprende al menos un concentrador (2) de orientación fija que es una lente de Fresnel prismática de focal lineal (3), y un colector solar lineal (4, 4'') dispuesto paralelo a la focal (3), en el que el colector (4) es desplazable según cualquier dirección (5) perpendicular a la focal lineal (3), de modo que puede moverse sobre la trayectoria (6) de la focal lineal (4), de modo que permite optimizar la utilización de un colector de dimensiones mínimas sin necesidad de disponer de un mecanismo de orientación, siendo necesario únicamente un mecanismo para desplazar el colector que permita su desplazamiento por un plano.
Description
Dispositivo de generación de energía solar.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de generación de energía solar térmica y/o fotovoltaica
que comprende un concentrador que es una lente de Fresnel de
orientación fija que tiene un rendimiento óptimo y que puede
integrarse fácilmente en fachadas o techos de edificios.
Son conocidos los dispositivos de generación de
energía solar de concentración con lentes o espejos de Fresnel para
producción de energía térmica, fotovoltaica o bien combinada
fotovoltaica-térmica, estos últimos llamados
híbridos.
Habitualmente, en estos dispositivos, el
colector y la lente de Fresnel están fijados a una estructura que
puede ser o no móvil.
Cuando la estructura no es móvil, el ángulo de
incidencia del sol sobre la lente es variable y por lo tanto el foco
de la lente se desplaza en consecuencia. Se entiende por foco de la
lente, de manera genérica, la intersección de los dos rayos que
pasan por los extremos de la lente. Concretamente, si la lente es de
simetría axial, el lugar geométrico de los focos a lo largo del día
es una línea curvada y a lo largo del año, una superficie. Cuando se
trata de una lente de tipo prismático, el lugar geométrico de los
focos describe una superficie a lo largo del día, y un volumen a lo
largo del año.
Por lo tanto, estos dispositivos presentan uno
de los inconvenientes siguientes:
- o el colector no puede estar situado siempre
en el foco, con lo cual la eficiencia no es óptima.
- o bien se emplea un colector que tenga una
superficie o volumen de intersección con el lugar geométrico de los
focos mucho mayor capaz de colectar los rayos solares en cualquier
posición, lo cual implica infrautilizar un colector y además en
condiciones de irradiancia no uniforme, por lo que no es una
solución óptima.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta primera solución descrita presenta la
ventaja de que no hay partes móviles y por lo tanto precisa de un
mantenimiento mínimo y además es integrable en edificios.
Otra solución es la utilización de un sistema de
seguimiento de la posición del sol, que permite orientar el
conjunto concentrador-colector de manera que el foco
de la radiación incidente siempre esté dispuesto en el colector.
Este sistema de seguimiento puede basarse en sensores de la
posición del Sol o bien en seguidores astronómicos programados.
Con esta solución, la eficiencia es óptima desde
el punto de vista energético, pero supone partes móviles sujetas a
fatiga y que precisan de mantenimiento y además dificulta o prohíbe
su integración arquitectónica.
Por lo tanto, es evidente la necesidad de
disponer de un dispositivo que supere los inconvenientes del estado
de la técnica y que aúne de forma óptima las ventajas de los
dispositivos descritos.
Para ello, la siguiente invención propone un
dispositivo de generación de energía solar, que comprende al menos
un concentrador que es una lente de Fresnel prismática de focal
lineal, siendo dicha lente de orientación fija, y un colector solar
lineal (dispuesto sensiblemente paralelo a dicha focal, y que se
caracteriza por el hecho de que el colector es desplazable según
cualquier dirección perpendicular a dicha focal lineal, de modo que
puede moverse sensiblemente sobre la trayectoria de dicha focal
lineal.
Por lo tanto, el dispositivo de la invención
permite optimizar la utilización de un colector solar de dimensiones
mínimas sin necesidad de disponer de un mecanismo de orientación,
siendo necesario únicamente un mecanismo para desplazar el colector
que permita su desplazamiento según una dirección contenida en una
superficie.
El dispositivo descrito saca provecho de la
simetría planar de las lentes prismáticas, de modo que no es
necesario el movimiento en la dirección longitudinal de la
lente.
Por lente prismática se entiende una lente
definida por un eje longitudinal y de sección constante. A lo largo
de la descripción se entiende por eje de simetría de la lente el eje
longitudinal de la lente que pasa por la propia lente.
Preferentemente, en el dispositivo de generación
de energía solar de la invención los medios para accionar el
desplazamiento del colector comprenden al menos un actuador lineal
perpendicular al eje de simetría de la lente y dispuesto entre este
eje y el colector solar, pudiendo dicho actuador girar alrededor de
este eje. Aún más preferentemente el brazo de dicho actuador lineal
es solidario del colector.
\newpage
De este modo, se logra con un mecanismo que
tiene únicamente dos grados de libertad de movimiento:
- posicionar en todo momento el colector sobre
la focal y,
- orientar la superficie del colector en la
dirección del eje de simetría de la lente, es decir orientarlo de
modo que los rayos que pasan por el eje de simetría incidan según un
plano perpendicular al del colector.
\vskip1.000000\baselineskip
Ventajosamente la trayectoria está definida por
las siguientes expresiones:
X =
A_{0}\theta+A_{1}\theta^{3}+A_{2}\psi^{2}
Z =
C_{0}+_{1}\theta^{2}+C_{2}\psi^{2}+C_{2}\theta_{2}\psi^{2}
Donde:
X es el desplazamiento de la línea focal según
la dirección perpendicular al eje óptico y a la línea focal de la
lente en función de los ángulos de incidencia longitudinal \psi y
transversal \theta, tomándose dichos ángulos con respecto al eje
óptico de la lente,
Z es el desplazamiento en la dirección del eje
óptico.
\vskip1.000000\baselineskip
Tomando como origen la posición de la línea
focal para incidencia de la radiación según el eje óptico de
la
lente.
lente.
Siendo los demás parámetros unas constantes que
caracterizan a la lente de Fresnel.
Al disponerse de la trayectoria, se puede
programar el dispositivo de manera que el seguimiento se haga sin
necesidad de recurrir a sistemas de seguimiento basados en
sensores.
El colector puede ser térmico, fotovoltaico o
bien, preferentemente, una combinación de ambos, de modo que el
colector térmico puede producir energía térmica limitando a la vez
la máxima temperatura alcanzada por el colector fotovoltaico, de
modo que se evitan pérdidas de eficiencia de las células
fotovoltaicas por aumento de temperatura, que puede ser de un 1% por
cada dos grados centígrados.
Ventajosamente, el primer concentrador es fijo.
Según esta configuración, la lente es fija, y por lo tanto el
colector se desplaza. Ello permite su integración en fachadas o
techos, es decir que formen parte del cerramiento exterior
transparente de un edificio. Por lo tanto la parte más delicada y
que ocupa más espacio, las lentes de Fresnel, están fijas, y los
colectores solares, es decir los módulos fotovoltaicos lineales con
el colector térmico adosado, son móviles. Las lentes pueden tener
ellas mismas función estructural o bien pueden estar adheridas a una
envoltura transparente ya existente.
Finalmente, el colector comprende un segundo
concentrador adosado a la superficie de colección delimitado
lateralmente por dos planos que abarcan sensiblemente el haz
concentrado por el primer concentrador y frontalmente por una
superficie sensiblemente cilíndrica. Este elemento, que puede ser un
líquido dieléctrico o un sólido transparente, aumenta aún más la
eficiencia del dispositivo, en especial cuando el colector es un
módulo fotovoltaico, puesto que uniformiza el perfil de la
irradiancia que incide sobre el colector.
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto
se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a
titulo de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de
realización.
La figura 1 es una vista en perspectiva del
dispositivo de la invención.
La figura 2 es una vista según el eje
longitudinal de la lente.
La figura 3 es una vista según el eje
longitudinal de la lente en la que se aprecia la trayectoria de la
línea focal y el actuador lineal que puede girar alrededor del eje
de simetría de la lente.
Tal como se aprecia en las figuras 1 y 2, el
dispositivo 1 de generación de energía solar de la invención
comprende al menos un concentrador que es una lente de Fresnel
prismática de focal lineal 3, siendo dicha lente 2 de orientación
fija, y un colector solar lineal 4, 4' dispuesto sensiblemente
paralelo a dicha focal 3, y se caracteriza por el hecho de que el
colector 4 es desplazable según cualquier dirección 5 perpendicular
a dicha focal lineal 3, de modo que puede moverse sensiblemente
sobre la trayectoria 6 de la focal lineal 4.
Para ello, según esta realización y tal como se
representa mediante la trayectoria de la línea focal, la lente está
especialmente diseñada para que tenga una línea focal cuando los
rayos inciden fuera de eje. Hay que destacar que este diseño puede
ser realizado por un experto en la materia.
Tal como se aprecia en la figura 3, el
seguimiento de la trayectoria de la línea focal por parte del
colector solar fotovoltaico 4 se puede realizar mediante un actuador
lineal 14 (que permitirá variar la longitud R) perpendicular al eje
de simetría 15 de la lente y dispuesto entre este eje 15 y el
colector solar 4, pudiendo dicho actuador 14 girar alrededor de este
eje 15 según el ángulo \alpha. Estos dos grados de libertad
permiten hacer el seguimiento de la posición empleando dispositivos
de accionamiento conocidos.
Esta realización del actuador permite, sin
añadir más grados de libertad ni accionamiento alguno, orientar el
captador solar perpendicular al plano de los rayos que pasan por el
eje central 15 de la lente. Esto se consigue haciendo que el brazo
16 del actuador lineal 14 sea solidario del colector 4 y dispuesto
perpendicular a la superficie de captación de éste.
Según otra realización preferida de la
invención, la lente está diseñada de modo que la trayectoria 6 está
definida por las siguientes expresiones:
X =
A_{0}\theta+A_{1}\theta^{3}+A_{2}\psi^{2}
Z =
C_{0}+_{1}\theta^{2}++C_{2}\psi^{2}+C_{2}\theta_{2}\psi^{2}
Donde:
X es el desplazamiento de la línea focal 3 según
la dirección 7 perpendicular al eje óptico 8 y a la línea focal 3 de
la lente 2 en función de los ángulos de incidencia longitudinal
\psi y transversal \theta, tomándose dichos ángulos con respecto
al eje óptico 8 de la lente,
Z es el desplazamiento en la dirección del eje
óptico 8.
\vskip1.000000\baselineskip
Tomando como origen la posición de la línea
focal 3 para incidencia de la radiación según el eje óptico 8 de la
lente 2.
Siendo los demás parámetros unas constantes que
caracterizan a la lente de Fresnel.
El colector solar puede ser térmico y o
fotovoltaico, habiéndose representado el primero mediante la sección
de un tubo 4' por el que circula el fluido caloportador, y el
segundo mediante una sección rectangular 4 que representa un módulo
fotovoltaico. La disposición relativa de ambos es la usual en los
sistemas híbridos, es decir que los rayos concentrados inciden sobre
el colector fotovoltaico, el cual está adosado al colector térmico
que lo refrigera, aumentando su eficiencia.
EL dispositivo de la invención, al fijarse el
primer concentrador 2, halla una especial aplicación integrado en el
cerramiento exterior de un edificio, tal como una fachada
ventilada.
Según otra realización preferida de la
invención, el colector 4 comprende un segundo concentrador 9 adosado
a la superficie de colección 10. Este segundo concentrador, que
puede ser un líquido dieléctrico o un sólido transparente, es un
volumen delimitado lateralmente por dos superficies 11 y 12 que
abarcan sensiblemente el haz concentrado por el primer concentrador
2 y frontalmente por una superficie sensiblemente cilíndrica 13. Su
función es la de homogeneizar la radiación, de modo que el perfil de
la radiación que incide finalmente sobre el colector es lo más
uniforme posible, evitándose picos de concentración solar y
aumentándose su eficiencia.
Claims (9)
1. Dispositivo (1) de generación de energía
solar, que comprende al menos un concentrador (2) que es una lente
de Fresnel prismática de focal lineal (3), siendo dicha lente (2) de
orientación fija, y un colector solar lineal (4, 4') dispuesto
sensiblemente paralelo a dicha focal (3), caracterizado por
el hecho de que dicho colector (4) es desplazable según cualquier
dirección (5) perpendicular a dicha focal lineal (3), de modo que
puede moverse sensiblemente sobre la trayectoria (6) de dicha focal
lineal (4).
2. Dispositivo de generación de energía solar
según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que
los medios para accionar el desplazamiento del colector (4, 4')
comprenden al menos un actuador lineal (14) perpendicular al eje de
simetría (15) de la lente y dispuesto entre este eje (15) y el
colector solar (4), pudiendo dicho actuador (14) girar alrededor de
este eje (15).
3. Dispositivo de generación de energía solar
según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que
el brazo (16) de dicho actuador lineal (14) es solidario del
colector (4) y dispuesto perpendicular a la superficie de captación
de este.
4. Dispositivo de generación de energía solar
según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que
dicha trayectoria (6) está definida por las siguientes
expresiones:
X =
A_{0}\theta+A_{1}\theta^{3}+A_{2}\psi^{2}
Z =
C_{0}+_{1}\theta^{2}+C_{2}\psi^{2}+C_{2}\theta_{2}\psi^{2}
Donde:
X es el desplazamiento de la línea focal (3)
según la dirección (7) perpendicular al eje óptico (8) y a la línea
focal (3) de la lente (2) en función de los ángulos de incidencia
longitudinal \psi y transversal \theta, tomándose dichos ángulos
con respecto al eje óptico (8) de la lente,
Z es el desplazamiento en la dirección del eje
óptico (8).
Tomando como origen la posición de la línea
focal (3) para incidencia de la radiación según el eje óptico (8) de
la lente (2).
Siendo los demás parámetros unas constantes que
caracterizan a la lente de Fresnel.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Dispositivo de generación de energía solar
según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que
dicho colector (4') es térmico y/o fotovoltaico (4).
6. Reivindicación 1, caracterizado por el
hecho de que dicho primer concentrador (2) es fijo.
7. Dispositivo de generación de energía solar
según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que
dicho colector (4) comprende un segundo concentrador (9) adosado en
la superficie de colección (10) delimitado lateralmente por dos
superficies (11, 12) que abarcan sensiblemente el haz concentrado
por el primer concentrador (2) y frontalmente por una superficie
sensiblemente cilíndrica (13).
8. Dispositivo de generación de energía solar
según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que
dicho segundo concentrador (2) es un líquido dieléctrico o un sólido
transparente.
9. Dispositivo de generación de energía solar
según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que
dicho concentrador (2) forma parte del cerramiento exterior
transparente de un edificio.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2352714 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20120124 |