ES2371879A1 - Concentrador de radiación hiperbólico parabólico. - Google Patents
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Abstract
Concentrador de radiación hiperbólico parabólico, que comprende una superficie que está generada a partir de un perfil geométrico en dos dimensiones, obtenido de las líneas de flujo, o parte de las mismas, producidas por una fuente de luz Lambertiana que tiene forma de cuña infinita seccionada en su vértice y que no pasen por los vértices de la cuña.El componente de la invención es especialmente aplicable como concentrador de radiaciones solares.
Description
Concentrador de radiación hiperbólico
parabólico.
La invención se encuadra dentro del sector
técnico de la óptica, concretamente como componente óptico
concentrador, colimador, acoplador, reflector o en general
manipulador de haces o fuentes de energía radiante no formadores de
imagen.
\vskip1.000000\baselineskip
La concentración óptica es un campo de interés
creciente dentro de la óptica, usualmente de aplicación en
dispositivos de energía solar para incrementar la densidad de
energía radiante en un detector aumentando la capacidad energética
del dispositivo.
La óptica no formadora de imagen (anidolica)
estudia el diseño de estos concentradores. Típicamente pueden
funcionar de dos formas diferenciadas, concentrar energía de una
fuente distante (como puede ser el sol) en un detector o bien puede
colimar radiación de una fuente "extensa" que se encuentre
próxima al sistema. La ventaja de la óptica no formadora de imagen
es la libertad de diseño que se obtiene al no ser importante la
conjugación de puntos necesaria en los sistemas tradicionales
formadores de imagen.
Un ejemplo típico de sistemas no formadores de
imagen son los utilizados en la conversión de energía solar en
energía eléctrica, este tipo de sistemas están descritos en
múltiples patentes, la US3923381A1 de 1975 describe un concentrador
solar característico el CPC (Concentrador Parabólico Compuesto). El
CPC de extrusión (2D) recoge toda la radiación incidente comprendida
en un ángulo de diseño \pm\theta y la concentra en la apertura
de salida opuesta a la apertura de entrada. Las secciones de los
reflectores parabólicos, que conforman el CPC, están situadas de
modo que sus ejes están girados respecto al eje de
revolución/extrusión. De modo que el foco de cada una de las
parábolas se ubica en el extremo opuesto de la apertura de salida.
Este concentrador puede funcionar en aire, de modo que sus paredes
sean reflexivas o construido sobre un material dieléctrico
funcionando por reflexión total interna.
El CPC en 3D fue descrito por H. Hintenberger y
R. Winston "Efficient light coupler for threshold Cerenkov
counters" Rev. Sci. Instrum., 30, 1094-1095,
1966, proporcionando un buen ratio de concentración, pero sin
alcanzar el limite termodinámico. Posteriormente estos sistemas han
sido estudiados, incluyendo el método de las líneas de flujo, [R.
Winston, W.T. Welford "Geometrical vector flux and some new
nonimaging concentrators", Journal of the Optical Society of
America 69, 532-536, 1979], patente GB 2031179A, y
mejorados por [R. Winston, J.C. Miñano, P. Benítez,
"Non-imaging optics", Elsevier Academic Press,
2005] obteniendo rendimientos superiores al CPC 3D. El método de las
líneas de flujo propone la construcción de concentradores ideales
ubicando espejos perfectos en las líneas de flujo. Una aplicación
clásica de este método consiste en evaluar las líneas de flujo que
se producen en una cuña infinita seccionada en 2D [R. Winston, W.T.
Welford "Ideal flux concentrators as shapes that do not disturb
the geometral vector flux field: A new derivation of the compound
parabolic concentrador", Journal of the Optical Society of
America 69, 536-539, 1979]. Por otro lado, existen
diversos dispositivos derivados del CPC como el CEC (Compound
Elliptical Concentrator) [R. Winston. U.S. Letters Patent
3923-381. Radiant Energy Concentration. 1976], [R.
Winston. U.S. Letters Patent 3957-031. Light
collectors in Cylindrical Geometry. 1976], [R. Winston: U.S. Letters
Patent 4002-499. Cylindrical Concentrators for Solar
Energy. 1977]. Asimismo hay varios sistemas concentradores que
tienen superficies tanto refractivas como reflexivas como el XR, RX,
XX, RXI, lentes fresnel descritos en las referencias anteriores y en
distintas, patentes como la United States Patent 6639733.
Otro tipo de sistemas son los conversores de
energía solar en calor para generar ACS (agua caliente sanitaria),
este tipo de sistemas emplea normalmente un sistema CPC de
extrusión, tienen una eficiencia muy elevada debido a que utilizan
gran parte del el espectro infrarrojo debido a la absortancia de los
materiales empleados.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención tiene por objeto un
componente óptico para manipulación de radiaciones,, principalmente
diseñado como concentrador de radiación solar por reflexión, mejora
claramente los ratios de concentración de los dispositivos
conocidos, aunque puede, emplearse también en modo inverso, como
colimador o acoplador óptico, y como componente refractivo en lugar
de reflexivo tanto para concentración como para colimación de
radiación.
El componente óptico de la invención comprende
una superficie que está generada a partir de un perfil geométrico,
en dos dimensiones, que está obtenido de las líneas de flujo, o
parte de las mismas, producidas por una cuña infinita seccionada y
que no pasan por los vértices de la cuña, entendiendo las líneas de
flujo como las líneas del campo vectorial luminoso producido por una
fuente de luz Lambertiana. Entendiendo a su vez las líneas del campo
vectorial luminoso como líneas continuas, que cumplen la condición
de ser tangentes al vector de campo luminoso en todos los puntos del
espacio.
El perfil citado está formado por una hipérbola
truncada unida a una parábola girada o por partes del mismo, como
puede ser una hipérbola truncada adecuadamente. El punto de unión de
las dos cónicas, hipérbola y parábola, coincide con el punto de
truncadura del perfil en el caso de hipérbola truncada, este punto
de unión/truncadura se obtiene a partir de tres condiciones.
- -
- El punto de unión/truncadura es el punto de corte entre la rama de la hipérbola más cercana al foco F y una recta que pasando por el foco F de la hipérbola, forma un ángulo \theta con el eje de la hipérbola.
- -
- Coincidencia en el foco, de ambas curvas F'=F_{p} donde F_{p} es el foco de la parábola, F y F' son los focos de la hipérbola.
- -
- El eje de la parábola, que pasa por su foco F'=F_{p}, forma un ángulo \theta con el eje de la hipérbola, para el perfil hipérbola más parábola.
\vskip1.000000\baselineskip
El componente óptico se puede generar por
revolución de este perfil respecto al eje de la hipérbola,
obteniendo un concentrador 3D, por extrusión del mismo perfil,
obteniendo un concentrador 2D, o bien por simetría elíptica
cilíndrica, obteniendo un concentrador elíptico. En este último
supuesto es de interés el caso de la hipérbola truncada con el que
se obtiene por simetría elíptica un hiperboloide de una hoja
truncado.
Los parámetros que definen el componente óptico
de la invención son:
- f: distancia focal de la hipérbola, distancia entre el eje de la hipérbola y el foco F.
- \theta: ángulo de diseño.
- a': radio de la apertura de salida.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos tres parámetros de diseño son validos para
todos los tipos del componente óptico, si bien en el caso de
construcción del concentrador por simetría elíptica será necesario
definir la excentricidad e de la elipse para definir completamente
el concentrador.
El punto de unión/truncadura entre ambas cónicas
x_{p} se puede obtener de la ecuación
La longitud del concentrador hiperbólico
parabólico es la longitud del perfil empleado en su construcción, el
concentrador con longitud igual a x_{p} corresponde al caso
del perfil hiperbólico truncado o para el caso de unión entre un
perfil hiperbólico truncado y un perfil parabólico girado la
longitud del perfil es la comprendida entre los dos puntos cuya
pendiente es 0. En este último caso la distancia focal de la
parábola f_{p} es
El funcionamiento en modo directo concentrador,
es el siguiente:
Para la construcción en base al perfil de
hipérbola más parábola, la radiación que incide en el área de
entrada y que llegan a la superficie de la parábola con un ángulo
igual a \theta son reflejados directamente hacia el, foco
F_{p}=F', por funcionamiento de la parábola, o bien a un punto
entre los focos F-F' en caso de ángulo de incidencia
menor a \theta. En una segunda reflexión este rayo puede dar en la
hipérbola, pero como va dirigido a la zona comprendida entre F y F'
tenemos, por funcionamiento geométrico de la hipérbola, que ese rayo
es reflejado de nuevo a una zona comprendida entre F y F' de tal
forma que después de n reflexiones, según el ángulo de entrada, el
rayo sale indefectiblemente por la abertura de salida. Esto hace que
sea un concentrador ideal en 2D.
Para la construcción en base al perfil de
hipérbola truncada, la radiación que incide en el área de entrada
con ángulos iguales o menores a \theta, es radiación que va
dirigida al segmento F-F', con lo cual, por
funcionamiento de la hipérbola, esta radiación surgirá por la
apretura de salida.
\newpage
\global\parskip0.900000\baselineskip
El funcionamiento en modo inverso como
colimador, sigue los mismos principios que en modo directo,
simplemente girando el dispositivo 180º. De forma que la superficie
de entrada para el modo inverso es la de salida en el modo directo y
viceversa. Con esta nueva configuración se consigue que cualquier
haz de luz divergente que incida sobre la superficie de entrada en
modo inverso, será modificado por el componente, obteniéndose a la
salida un haz de luz de divergencia igual al ángulo de diseño del
componente \theta.
Para su funcionamiento como elemento refractivo
se requiere que el volumen delimitado por las superficies del
concentrador entre las superficies de entrada y salida, este repleto
de un medio material de índice de refracción mayor que la unidad. En
esta situación, la radiación que incide en el componente por la
superficie de entrada, es redirigida hacia la superficie dé salida
por el fenómeno de la reflexión total entre dos medios de índice de
refracción distinto en las superficies del concentrador. Con esta
configuración se incrementa el ángulo de diseño \theta por
aplicación de la ley de Snell. De modo que la radiación que incida
en la superficie de entrada con ángulo mayor que el de diseño pero
después de la refracción en esta superficie surja con un ángulo
igual o menor al de diseño, será concentrado por el componente
óptico.
\vskip1.000000\baselineskip
En los dibujos adjuntos se muestra un ejemplo de
realización no limitativo, siendo:
La figura 1 un esquema que muestra las líneas de
flujo producidas por una cuña seccionada.
La figura 2 muestra en perspectiva un componente
óptico generado por revolución de una línea de flujo de la figura
1.
La figura 3 muestra en perspectiva un componente
óptico generado por extrusión, a partir de una línea de flujo de la
figura 1.
La figura 4 muestra el funcionamiento del
componente óptico de la invención como concentrador para un haz
colimado y con un ángulo concreto.
La figura 5 muestra el funcionamiento del
componente óptico de la invención como colimador o acoplador
óptico.
La figura 6 muestra en perspectiva un componente
óptico construido por simetría elíptica de una línea de flujo de la
figura 1.
La figura 7 es un esquema constructivo del
perfil 2D a partir del que se genera el componente óptico de la
figura 2.
La figura 8 es un esquema que muestra el
porcentaje de energía transmitida por el componente óptico con
distintas focales, en función del ángulo de incidencia de la
radiación.
La figura 9 muestra en perspectiva diferentes
componentes ópticos, obtenidos de acuerdo con la invención, para su
uso como concentradores de radiaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
Las características y ventajas del componente
óptico de la invención, así como sus posibles aplicaciones, se
pondrán de manifiesto con mayor claridad con la descripción de los
dibujos adjuntos.
En la figura 1 se muestran las líneas de flujo
producidas por una cuña seccionada 1, entendiendo las líneas de
flujo como las líneas del campo vectorial luminoso producido por una
fuente de luz Lambertiana. En la presente invención la fuente de luz
Lambertiana empleada de modo teórico para producir las líneas de
flujo tiene la geometría de una cuña infinita y seccionada o
truncada 1 en 2D en su vértice de modo que se crean dos nuevos
vértices 3 por el corte o sección. Esta fuente teórica emite luz con
distribución Lambertiana, es decir con la misma luminancia en todas
direcciones. Las líneas de flujo empleadas como geometría básica de
la invención son las generadas por la citada fuente y de entre éstas
se excluyen las líneas de flujo que pasan por los vértices de la
citada fuente teórica de luz 3. Estas líneas de flujo proporcionan
perfiles para diferentes tipos de concentradores de radiación. Así
la línea de flujo referenciada con el nº 2, que pasa por uno de los
vértices 3 de la cuña, define el perfil de un concentrador
parabólico compuesto bien conocido. La línea de flujo referenciada
con el número 4, que no pasa por los vértices 3 de la cuña, define
el perfil de un concentrador hiperbólico parabólico, en su
configuración de hipérbola más parábola. La línea de flujo
referenciada con el nº 5 define igualmente el perfil de un
concentrador hiperbólico parabólico, en su configuración de
hipérbola truncada, referenciándose con el nº 6 el eje de revolución
para la generación de la superficie del concentrador a partir de las
líneas comentadas.
Así, por ejemplo, en la figura 2 se muestra en
perspectiva un concentrador hiperbólico parabólico, construido por
revolución de la línea de flujo 4 de la cuña infinita seccionada de
la figura 3, mientras que en la figura 3 se muestra en perspectiva
un concentrador hiperbólico parabólico, construido por extrusión de
la misma línea de flujo 4 de la cuña infinita seccionada de la
figura 1.
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También la superficie que define el concentrador
hiperbólico parabólico de la invención puede estar construido por
simetría elíptica de una línea de flujo de la cuña infinita
seccionada de la figura 1, por ejemplo de la línea referenciada con
el nº 5. En este caso solo se considera parte de la línea de flujo,
con la que se obtiene la hipérbola truncada.
La figura 4 muestra el funcionamiento del
componente en sentido directo como sistema concentrador en el que la
radiación, viajando de izquierda a derecha incide en el área de
entrada 11 y llega a la superficie de la parábola 12 con el ángulo
de diseño \theta del concentrador hiperbólico parabólico, siendo
reflejado directamente hacia el foco F_{p}=F' por funcionamiento
de la parábola, o bien a un punto entre los focos
F-F', en caso de que el ángulo de incidencia sea
menor a \theta. En una segunda reflexión este rayo puede dar en la
hipérbola 13, pero cómo va dirigido hacia la zona. comprendida entre
F y F' tenemos, por funcionamiento geométrico de la hipérbola, que
ese rayo es reflejado de nuevo a una zona comprendida entre F y F'
de tal forma que después de n reflexiones 14, según el ángulo de
entrada, la radiación sale indefectiblemente por la abertura de
salida 15, lográndose de este modo un concentrador ideal.
La figura 5 muestra el funcionamiento del
componente en sentido inverso. El área de entrada 18 es el área
pequeña en este caso y el área de salida 19 es el área mayor. Con
ello conseguimos que una fuente extensa con emisión divergente
colocada en el área de entrada salga por el área de salida con una
divergencia máxima igual al ángulo de diseño \theta del
concentrador hiperbólico parabólico.
En la figura 6 se muestra un concentrador
hiperbólico parabólico construido por simetría elíptica de la línea
de flujo 5 de la cuña infinita seccionada de la figura 1. En este
caso solo considera parte de la línea de flujo, la hipérbola
truncada. Con esta construcción la radiación que incide en el área
de entrada 16 con ángulos iguales o menores a \theta, es radiación
que va dirigida al segmento F-F', con lo cual, por
funcionamiento de la hipérbola, esta radiación surgirá por la
abertura de salida 17.
La figura 7 muestra el esquema constructivo del
perfil 2D del concentrador hiperbólico parabólico, donde se observan
las dos curvas, parábola 20 e hipérbola 21, de las que consta el
concentrador. La unión de estas dos cónicas, como se ha comentado,
cumple tres condiciones:
- -
- El punto de unión 7 de ambas cónicas se obtiene con el trazado de una recta desde el punto focal F, formando un ángulo de diseño \theta con el eje 9 de la hipérbola.
- -
- El foco de la hipérbola 21 y de la parábola 20 coinciden en el punto F' = F_{p}.
- -
- El eje 10 de la parábola 20 pasa por el foco F'= F_{p} y forman un ángulo \theta con el eje 9 de la hipérbola 21.
\vskip1.000000\baselineskip
En el diagrama de la figura 8, en el que en
ordenadas se representa la transmitancia y en abscisa el ángulo de
incidencia, se muestra el porcentaje de energía transmitida por el
componente en función del ángulo de incidencia de la radiación,
partiendo de los siguientes valores:
- -
- Focal de la hipérbola, f: 12 a 240 mm.
- -
- Radio salida; a': 12 mm.
- -
- Ángulo de diseño, \theta: 30º.
- -
- Reflectancia: 100%.
- -
- Modo de funcionamiento: directo como concentrador.
\vskip1.000000\baselineskip
A partir de estos datos, en la figura 8 se
muestra el cálculo mediante simulación por trazado de rayos de un
sistema con los parámetros indicados. En esta gráfica se observa
como el sistema mejora la eficacia y se acerca a,l límite de
aceptancia angular de 30º para el que ha sido diseñado conforme
aumentamos la focal. Para una focal f = 240 mm es en el que el
funcionamiento es más aproximado al límite termodinámico. En el caso
teórico, en el que la focal fuese infinita, el componente se
comportaría como ideal para ese ángulo de diseño, transmitiendo toda
la radiación dentro del entorno constructivo, de modo que la energía
total concentrada se acerca al límite termodinámico (función escalón
en \theta = 30º) al aumentar la distancia focal de la
hipérbola.
El concentrador hiperbólico parabólico de la
invención tiene una directa aplicación industrial, por ejemplo como
dispositivo concentrador de radiación solar, mejorando la eficacia
de los dispositivos actualmente en uso para la misma aplicación. La
sustitución de elementos tipo concentrador parabólico compuesto por
concentradores hiperbólicos parabólicos de acuerdo con la invención,
del tipo hipérbola más parábola, construidos por revolución, implica
una mejora en las prestaciones, pudiendo cuantificarse esta mejora
entorno al 5%. El proceso productivo para la fabricación de un
concentrador del tipo de la invención es completamente análogo al de
un concentrador parabólico compuesto y de sencilla implementación,
técnicas estándar como estampado, troquelado o inyección de plástico
son válidas para la fabricación del concentrador hiperbólico
parabólico de la invención.
Por otro lado, también es posible la aplicación
de componentes concentradores hiperbólicos parabólicos del tipo
parábola truncada, construido por simetría elíptica cilíndrica, como
componentes en sistemas de captación de energía solar estáticos, que
no sigan la trayectoria solar en su funcionamiento.
Por último la figura 9 muestra diferentes
concentradores del tipo hipérbola mas parábola, con distintas
focales
(f = 18 mm, f = 30 mm y f = 60 mm) para un mismo ángulo de diseño. Todos estos concentradores están generados por revolución de las líneas descritas alrededor del eje de la hipérbola. El mismo concentrador puede hacerse por extrusión, obteniéndose un concentrador 2D.
(f = 18 mm, f = 30 mm y f = 60 mm) para un mismo ángulo de diseño. Todos estos concentradores están generados por revolución de las líneas descritas alrededor del eje de la hipérbola. El mismo concentrador puede hacerse por extrusión, obteniéndose un concentrador 2D.
En resumen, se trata de un componente óptico
principalmente diseñado como concentrador de radiación solar por
reflexión, figura 4, aunque puede emplearse en modo inverso como
componente óptico colimador, figura 5, o como un componente
refractivo trabajando por reflexión total interna.
La principal innovación es el diseño geométrico
del componente, fundamentado en el método de las líneas de flujo ya
expuesto. La línea de flujo que parte del vértice en esta
configuración proporciona el perfil 2D de un concentrador parabólico
compuesto 2, figura 1, bien conocido. Sin embargo las líneas de
flujo generadas por la cuña infinita seccionada y que no parten de
los vértices 3 proporcionan diversos perfiles 2D para nuevos
concentradores hiperbólicos parabólicos 4 y 5. El dispositivo final
concentrador de radiación hiperbólico parabólico se puede construir
de diferentes formas en base a estos perfiles, que no pasan por los
vértices. Por revolución, figura 2, del perfil sobre el eje 6
concentrador 3D, por extrusión, figura 3, del propio perfil
concentrador 2D, o bien por simetría elíptica cilíndrica, figura 6,
como en el caso de perfil de hipérbola truncada 5 para obtener un
hiperboloide de una hoja truncado, concentrador elíptico.
Respecto a sus prestaciones como concentrador,
el radio de concentración de radiación C = radiación
incidente/radiación transmitida, aumenta al aumentar la distancia
focal de la hipérbola, de modo que se obtiene el límite
termodinámico de concentración, en el límite de la distancia focal
de la hipérbola infinita.
Claims (9)
1. Concentrador de radiación hiperbólico
parabólico, caracterizado porque comprende una superficie
generada a partir de un perfil geométrico, en dos dimensiones,
obtenido de las líneas de flujo, o partes de las mismas, producidas
por una fuente de luz Lambertiana que tiene forma de cuña infinita
seccionada en su vértice en 2D, y que no pasen por los vértices de
la cuña, estas líneas de flujo se forman por la unión continúa de
una hipérbola y una parábola.
2. Concentrador de radiación, según la
reivindicación 1, caracterizado porque los focos de las
cónicas que forman la línea de flujo y el perfil, hipérbola y
parábola, tienen coincidencia en posición.
3. Concentrador de radiación según la
reivindicación 1, caracterizado porque la unión de ambas
curvas cónicas es el punto de corte entre la rama mas próxima al
foco F de la hipérbola y una recta que pasa por el foco F y forma un
ángulo \theta con el eje de la hipérbola
4. Concentrador de radiación, según la
reivindicación 1, caracterizado porque el eje de la parábola,
que pasa por el foco F'=F_{p}, siendo F' uno de los focos de la
hipérbola, forma un ángulo \theta con el eje de la hipérbola.
5. Concentrador de radiación según las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por configurarse
con tres parámetros principales, f: distancia focal de la hipérbola,
\theta: ángulo de diseño y a': radio de la apertura de salida.
6. Concentrador de radiación según las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
distancia focal del sistema cumple la relación f>a'.
7. Concentrador de radiación según las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
superficie citada se genera, por revolución del perfil alrededor del
eje de la hipérbola, definiendo un concentrador 3D.
8. Concentrador de radiación según las
reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque la superficie
citada se genera por extrusión del perfil, definiendo un
concentrador 2D.
9. Concentrador de radiación según las
reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque la superficie
citada se genera por simetría elíptica cilíndrica, definiendo un
concentrador elíptico.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200802876A ES2371879B2 (es) | 2008-10-10 | 2008-10-10 | Concentrador de radiación hiperbólico parabólico. |
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|---|---|---|---|---|
| WO2013113959A1 (es) * | 2012-01-30 | 2013-08-08 | Daniel Enrique Perez Rodriguez | Equipo de captación y distribución óptica, modular y adaptativo |
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2008
- 2008-10-10 ES ES200802876A patent/ES2371879B2/es active Active
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| Publication number | Publication date |
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