ES2364310A1 - Sistema de concentracion solar fotovoltaica. - Google Patents
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Abstract
Sistema de concentración solar fotovoltaica con una lente concentradora Fresnel (1) de grosor constante de faceta en una primera zona, concretamente la zona central de la lente (1), pasando después a altura constante de faceta en una segunda zona, concretamente la zona periférica de la lente (1), con el fin de maximizar la eficiencia óptica de la lente (1), manteniendo controladas las aberraciones típicas del sistema. El sistema de concentración solar fotovoltaica comprende adicionalmente un elemento óptico secundario (2) con cara de entrada (3) circular y curvatura convexa, una sección para acomodar un reborde (4), y una sección piramidal (6), transformándose la sección transversal de un círculo a cuadrada en el extremo inferior (7) donde se acomoda el receptor fotovoltaico. Este sistema mejora la eficiencia óptica y termodinámica de los sistemas existentes, facilita la producción y la instalación en el módulo fotovoltaico, y disminuye los costes asociados con la fabricación.
Description
Sistema de concentración solar fotovoltaica.
La presente invención pertenece al campo técnico
de los sistemas de concentración solar fotovoltaica para el
aprovechamiento de la energía solar para la producción de energía
eléctrica, concretamente a sistemas de concentración solar
fotovoltaica de alta concentración, y más concretamente a sistemas
formados principalmente por una lente concentradora Fresnel, un
elemento óptico secundario, y un receptor fotovoltaico.
Numerosos sistemas de concentración solar
fotovoltaica (CPV) han sido propuestos y desarrollados a lo largo
del siglo XX hasta la actualidad. A pesar de este largo historial,
estos sistemas no son actualmente competitivos en términos de coste
y eficiencia con respecto a las formas tradicionales de producción
de energía.
Los documentos WO2006114457, US2009106648 y WO
2009058603 muestran el típico esquema de funcionamiento de un
sistema de concentración solar fotovoltaica. Dicho sistema consiste
en una lente de Fresnel concentradora de luz y un elemento óptico
secundario que dota al sistema de mayor concentración. Diversos
sistemas que utilizan lentes de Fresnel han sido propuestos con y
sin óptica secundaria.
Existen otros sistemas de concentración solar
fotovoltaica basados en la tecnología Cassegrain. Dichos sistemas
consisten en un par de espejos y un elemento óptico terciario
homogeneizador. Además hay otros elementos ópticos de concentración
basados en espejos parabólicos. Dichos sistemas pueden estar
formados por espejos o bien ser un sistema totalmente sólido basado
en Reflexión Total Interna (RTI), como es mostrado en los documentos
WO2009058603 y WO2009086293.
Recientemente se han reportado sistemas de
concentración por guiado de luz, tal y como muestra el documento
WO2008131566. Dichos sistemas se caracterizan por su mayor
compacidad frente a sistemas tradicionales.
Un sistema ideal de concentración solar
fotovoltaica debería reunir las siguientes características para ser
competitivo: minimizar las pérdidas en los sistemas de concentración
ópticos, es decir conseguir una mayor eficiencia óptica; ser
soluciones efectivas en coste y fiables a largo plazo; ser compactos
y conseguir una máxima eficiencia termodinámica, esto es alcanzar el
máximo grado de concentración posible manteniendo tolerancias
mínimas de fabricación.
Además un sistema ideal de concentración solar
fotovoltaica debería maximizar el uso de la etendue. El concepto de
etendue, fue descrito por Dr. Winston y Co. en Non Imaging Optics y
es de suma importancia en un sistema de concentración solar
fotovoltaica. Maximizar la etendue significa maximizar el ángulo de
aceptancia de un sistema para un grado de concentración determinado,
o bien maximizar la concentración para un ángulo de aceptancia
definido. Un módulo de máximo uso de etendue tiene potencial para
concentrar de manera efectiva la radiación solar, minimizando el
coste del elemento semiconductor y en consecuencia del módulo, y
dotar al sistema de la tolerancia necesaria para ser montado en
sistemas reales de seguimiento solar, y permitir las tolerancias de
fabricación del módulo sin que ello afecte al rendimiento del
mismo.
El máximo grado de concentración alcanzable para
un ángulo de aceptancia viene definido por la siguiente
ecuación:
Siendo n el índice de refracción del medio en el
que está sumergido el receptor fotovoltaico, \theta1 el ángulo de
entrada en la célula fotovoltaica y \theta2 el ángulo de
aceptancia en el sistema.
Los sistemas de concentración solar fotovoltaica
mediante lentes de Fresnel son los más utilizados, ya que es una
tecnología conocida, estándar y efectiva en costes. Sin embargo no
son sistemas excesivamente compactos y no maximizan el uso de la
etendue. No obstante, se han publicado ciertos documentos con objeto
de maximizar el uso de etendue utilizando sistemas de lentes con
distancias focales muy elevadas y elementos secundarios con cierta
curvatura a la entrada.
Los sistemas reflexivos están siendo
introducidos progresivamente, en general son más compactos que los
sistemas refractivos, y con el diseño adecuado maximizan el uso de
etendue en comparación con lentes. No obstante tienen menores
eficiencias ópticas y mayor número de elementos.
Los sistemas por guiado de luz son, con
diferencia, los más compactos. Sin embargo tienen aun que demostrar
su eficiencia óptica, costes y fiabilidad a largo plazo.
Era por tanto deseable un sistema que
consiguiera una elevada concentración solar fotovoltaica evitando
los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del estado
de la técnica.
La presente invención resuelve los problemas
existentes en el estado de la técnica mediante un sistema de
concentración solar fotovoltaica formado por una lente concentradora
Fresnel, un elemento óptico secundario y un receptor
fotovoltaico.
Las lentes de Fresnel suelen tener dos formas de
diseñarse: con grosor de la faceta constante
(equi-pitch), o con altura de la faceta constante
(equi-depth). Cada una tiene sus ventajas e
inconvenientes.
Todo diseño de una lente de Fresnel tiende a
compensar entre sí dos factores:
En primer lugar hacer la lente lo más eficiente
posible, ello se consigue maximizando la relación grosor de la
faceta con el redondeo que sufre la misma en la cresta, debido al
proceso de producción del film o molde.
Segundo, controlar las aberraciones propias de
las lentes, ello se consigue básicamente controlando la distancia
focal a valores adecuados y haciendo que el grosor de la faceta sea
lo mínimo posible.
Compensar ambos efectos es antagónico. Si se
pretende maximizar el grosor frente a la cresta tenemos que recurrir
a un diseño de altura constante. Un diseño de altura constante tiene
las facetas centrales de la lente con un grosor demasiado elevado,
haciendo que el comportamiento off-axis de la lente
debido a las aberraciones no sea el deseado. Ello disminuiría el
ángulo de aceptancia del sistema.
Por el contrario, un diseño de grosor constante
suele realizarse con un ancho constante en todas las facetas menor
de 1 mm, ello hace que el comportamiento off-axis
sea relativamente mejor que el caso anterior, no obstante la cresta
redondeada ocupa un mayor espacio relativo en el total de la lente,
haciéndola menos eficiente.
La solución que se propone en la presente
invención es una lente híbrida que tenga las ventajas de ambos tipos
de diseño. La parte central de la lente será de grosor constante de
1 mm o menos. Conforme se van introduciendo más facetas se llegará a
un punto de máxima altura de dicha faceta (que depende de lo que
especifique cada proveedor en función de su proceso). Una vez
llegamos a ese punto, el diseño pasa a ser de altura constante. Por
tanto se trata de lentes híbridas, de grosor constante por el centro
y de altura constante por la zona periférica.
Este tipo de diseños presenta la ventaja de
mejorar un par de puntos la eficiencia de la lente, presentando un
aceptable comportamiento frente a las aberraciones
off-axis, aumentando por ello el ángulo de
aceptancia del sistema.
Los elementos secundarios ópticos han de
situarse en la posición adecuada con objeto de maximizar el uso de
etendue. Dr. Winston describió diseños que permitían conseguir
llegar a los límites ópticos. Dichos límites se alcanzaban con F#=3,
siendo F#=f/D siendo:
f = distancia focal de la lente,
D = diagonal de la cara de entrada de la luz en
la lente.
Los elementos ópticos de las lentes de los
sistemas de concentración objeto de la presente invención alcanzan
los límites en un rango de F# bastante inferior. Un F# bajo implica
sistemas más compactos y piezas de tamaño reducido, lo que redunda
en soluciones más efectivas en coste.
La siguiente tabla muestra el incremento en uso
de etendue del sistema conforme aumenta el F#.
Se observa un incremento importante en la
eficiencia del sistema al variar F# desde 0.9 (mínimo práctico en
sistemas reales) hasta 1.2. Desde este punto la mejora se relativiza
en gran medida, presentando la curva un comportamiento asintótico.
Por tanto, no es conveniente usar lentes de F# mayor que 1.5 en
estos sistemas, ya que encarecería el sistema sin proporcionar
mejora significativa. Se ha estimado una situación de compromiso de
F# = 1.2.
Los elementos ópticos secundarios a enlazar con
lentes comprendidas entre los F# especificados se caracterizan por
una entrada curva convexa, una sección para acomodar el reborde y un
tronco piramidal, transformándose la sección transversal de un
círculo a cuadrada en donde se acomode el receptor fotovoltaico.
La cara de entrada posee una sección de entrada
circular y es convexa de forma que añade capacidad óptica al
secundario, permitiendo estructuras más compactas y mejorando la
eficiencia. Dicha cara es de sección circular, debido a que dicha
configuración permite una mejor recolección de rayos que la
superficie equivalente cuadrada, aumentando por ello la tolerancia
angular del sistema completo lente-secundario.
Posteriormente hay una región de área inactiva o
activa en donde se aloja el reborde. Dicho reborde supone una
ventaja en procesos de fabricación del molde y permite la sujeción
mecánica del secundario en el interior del módulo. Facilita
igualmente el post-procesamiento de las piezas una
vez han sido moldeadas. El reborde puede ser integrado o no en el
molde.
Por último se encuentra la sección
tronco-piramidal que tiene una sección inicial
circular acoplada al reborde, y una cuadrada de salida, necesaria
para acoplar el chip. Este tipo de secundarios permiten procesos de
moldeo con mínimo requerimiento de pulimentado, minimizando tiempos
de operación y coste de las piezas. Además se constata la altísima
eficiencia termodinámica que pueden alcanzarse con estos
diseños.
Estos secundarios presentan la gran ventaja con
respecto a diseños más convencionales de alcanzar grados de
concentración iguales o mayores y al mismo tiempo proporcionar un
buen ángulo de aceptancia que no compromete el diseño del seguidor y
el proceso de montaje del propio módulo, que hace ser muy atractiva
esta tecnología.
A continuación, para facilitar la comprensión de
la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá
una realización de la invención que hace referencia a una serie de
figuras.
La figura 1 muestra un esquema de funcionamiento
típico de un sistema de concentración solar fotovoltaica conocido en
el estado de la técnica.
La figura 2 muestra el funcionamiento de otro
sistema de concentración solar fotovoltaica basado en la tecnología
Cassegrain, también conocido en el estado de la técnica.
La figura 3 muestra elementos ópticos de
concentración basados en espejos parabólicos, existentes en el
estado de la técnica.
La figura 4 muestra un sistema de concentración
por guiado de luz, ya existente en el estado de la técnica.
La figura 5 muestra la relación existente entre
grosor y redondeo de una lente concentradora Fresnel.
La figura 6 representa la relación entre F# y
etendue del sistema objeto de la presente invención.
La figura 7 muestra varias vistas de un elemento
óptico secundario objeto de la presente invención.
La figura 8 muestra los parámetros de una
realización preferida de la lente del sistema objeto de la presente
invención.
La figura 9 muestra una realización preferida
del elemento óptico secundario del sistema objeto de la presente
invención.
En estas figuras se hace referencia a un
conjunto de elementos que son:
- 1.
- lente concentradora Fresnel
- 2.
- elemento óptico secundario
- 3.
- cara de entrada del elemento óptico secundario
- 4.
- reborde del elemento óptico secundario
- 5.
- sección transversal circular
- 6.
- sección piramidal del elemento óptico secundario
- 7.
- extremo inferior de la sección piramidal del elemento óptico secundario
A continuación se detalla una realización
preferida de los parámetros de diseño que describen el diseño de la
lente concentradora Fresnel 1 y el elemento óptico secundario 2.
El sistema descrito se defina por una
concentración geométrica de 1000X concentrando la radiación en una
célula fotovoltaica de 5.5x5.5 mm^{2}. Esto define una lente
concentradora Fresnel 1 de 174x174 mm^{2}. El F# de la lente 1 se
ha fijado en 1.2. Dicho valor se considera una situación de
compromiso entre compacidad del sistema y uso de etendue.
El diseño de la lente 1 se fija de la siguiente
manera:
La parte central de la lente es de diseño de
grosor constante de 1 mm. Dicho grosor permite tener una lente de
muy buena eficiencia y buen comportamiento off axis, mejorando pues
el ángulo de aceptancia del sistema.
Una vez alcanzado un máximo de 0.4 mm en la
altura de faceta de la lente se mantiene dicho máximo hasta llegar a
la faceta del borde exterior. La figura 8 muestra el perfil de dicha
lente híbrida.
El elemento óptico secundario 2 se ha optimizado
para un ángulo de aceptancia de 1.4º. En la figura 9 se muestra el
diseño del elemento óptico secundario 2, que conjuntamente con la
lente concentradora Fresnel 1 es capaz de fijar el rendimiento de
1000X y 1.4º de ángulo de aceptancia.
Otra realización preferente del sistema de
concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención se
define por una concentración geométrica de 700X con el F# de la
lente 1 fijado en 1.2 y un elemento óptico secundario 2 con un
ángulo de aceptancia de 1.91º.
La figura 6 muestra la relación entre F# y
etendue del sistema objeto de la presente invención.
Según una realización preferente de la invención
que se puede observar en las figuras, el elemento óptico secundario
2 tiene una cara de entrada 3 curva convexa, y una sección
tronco-piramidal 6 en su parte inferior. Además, el
sistema comprende un reborde 4 dispuesto alrededor de la cara de
entrada 3 del elemento óptico secundario 2, presentando este reborde
una geometría, o bien cuadrada, o bien circular. Este reborde 4
puede ser ópticamente activo, o inactivo, y puede estar realizado en
una pieza integral con el elemento óptico secundario 2, o de forma
independiente a éste.
Preferentemente, el elemento óptico secundario 2
tiene a continuación de la cara de entrada 3 una sección transversal
circular 5, que se transforma progresivamente en sección transversal
cuadrada hasta alcanzar el extremo inferior 7 de la sección
tronco-piramidal 6, siendo dicho extremo inferior 7
donde se fija el receptor fotovoltaico.
Una vez descrita de forma clara la invención, se
hace constar que las realizaciones particulares anteriormente
descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que
no alteren el principio fundamental y la esencia de la
invención.
Claims (18)
1. Sistema de concentración solar fotovoltaica
que comprende
- una lente concentradora Fresnel (1),
- un elemento óptico secundario (2), y
- un receptor fotovoltaico,
dicho sistema de concentración solar
fotovoltaica caracterizado porque la lente concentradora
Fresnel (1) es una lente híbrida que comprende
- al menos una primera zona con un grosor
constante de la faceta, y
- al menos una segunda zona con una altura
constante de la faceta.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera
zona con grosor constante de la faceta es la zona central de la
lente concentradora Fresnel (1).
3. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la primera zona de la lente
concentradora Fresnel (1) con el grosor constante de la faceta tiene
un grosor menor o igual que 1 mm.
4. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona con
altura constante de la faceta es la zona periférica de la lente
concentradora Fresnel (1).
5. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la lente concentradora Fresnel (1) en la
zona central de grosor constante aumenta la altura de faceta hasta
un punto máximo de altura a medida que aumenta el número de facetas
de dicha lente concentradora Fresnel (1).
6. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
que comprende
- una lente concentradora Fresnel (1),
- un elemento óptico secundario (2), y
- un receptor fotovoltaico
caracterizado porque
- el elemento óptico secundario (2) comprende a
su vez una cara de entrada (3) curva convexa,
- y porque dicho elemento óptico secundario (2)
tiene una sección tronco- piramidal (6).
\vskip1.000000\baselineskip
7. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación 6, caracterizado porque el elemento
óptico secundario (2) comprende un reborde (4) dispuesto alrededor
de la cara de entrada (3),
8. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación anterior, caracterizado porque el
reborde (4) tiene una geometría seleccionada entre cuadrada y
circular.
9. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizado
porque el reborde (4) del elemento óptico secundario (2) es
ópticamente inactivo.
10. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizado
porque el reborde (4) del elemento óptico secundario (2) es
ópticamente activo.
11. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10,
caracterizado porque el reborde (4) es integral con el
elemento óptico secundario (2).
12. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10,
caracterizado porque el reborde (4) es independiente del
elemento óptico secundario (2).
13. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12,
caracterizado porque
- el elemento óptico secundario (2), a
continuación de la cara de entrada (3) comprende una sección
transversal circular (5),
- y porque dicha sección transversal circular
(5) se transforma progresivamente en sección transversal cuadrada
hasta alcanzar el extremo inferior (7) de la sección
tronco-piramidal (6) del elemento óptico secundario
(2).
\vskip1.000000\baselineskip
14. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el uso de la etendue en dicho sistema de
concentración solar fotovoltaica está comprendido entre 45% y
95%.
15. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación anterior, caracterizado porque
- la lente concentradora Fresnel (1) tiene
- -
- una distancia focal de dicha lente (1) al elemento óptico secundario (2) f, y
- -
- una diagonal de la cara de entrada de la luz en la lente (1) D, estando comprendida la relación F# = f/D entre 0.9 y 1.5,
- y porque el elemento óptico secundario (2)
tiene un ángulo de aceptancia comprendido entre 1.20º y 1.99º.
\vskip1.000000\baselineskip
16. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación anterior, caracterizado porque
comprende
- una concentración geométrica de 1000X,
- una lente concentradora Fresnel (1) con una
relación F# = 1.2, y
- un elemento óptico secundario (2) con un
ángulo de aceptancia de 1.4º.
\vskip1.000000\baselineskip
17. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación anterior, caracterizado porque
- el grosor constante de la faceta en la zona
central de la lente concentradora Fresnel (1) es menor o igual que 1
mm,
- y porque en dicha zona central la altura de la
faceta aumenta progresivamente hasta alcanzar una altura máxima de
0.4 mm, manteniéndose dicha altura máxima de 0.4 mm constante hasta
la faceta del borde exterior de la lente concentradora Fresnel
(1).
\vskip1.000000\baselineskip
18. Sistema de concentración solar fotovoltaica,
según la reivindicación anterior, caracterizado porque
comprende
- una concentración geométrica de 700X,
- una lente concentradora Fresnel (1) con una
relación F# = 1.2, y
- un elemento óptico secundario (2) con un
ángulo de aceptancia de 1.91º.
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