ES2620767T3 - Método y dispositivo adecuado para la caracterización de módulos fotovoltaicos de concentración - Google Patents

Abstract

Método para la caracterización de un módulo (1) fotovoltaico de concentración que a su vez comprende una pluralidad de unidades elementales "óptica-célula solar", aplicable a un dispositivo que comprende: a) una óptica colimadora (2) definiendo el plano focal (P) orientado perpendicular al eje focal (C) de la óptica colimadora (2) y posicionado pasando por el foco (F) de dicha óptica colimadora (2), b) un soporte (6) adecuado para soportar el módulo (1) a caracterizar situado en un lugar del plano focal (P) y con la superficie receptora principal del módulo (1) orientada hacia la óptica colimadora (2), c) una fuente de alimentación (4) adecuada para alimentar eléctricamente el módulo (1) de tal modo que dicho módulo (1) opere como un emisor de luz, d) una pluralidad n de cámaras (3) que a su vez comprenden un sensor de imagen (3.1) y una óptica (3.2) donde: - la pluralidad n de cámaras (3) está distribuida a lo largo de una línea (L1, L2) esencialmente situada en el plano focal (P) donde cada una de las cámaras (3) está orientada para tomar una imagen del módulo (1) a través de la óptica colimadora (2), - la línea (L1, L2) a lo largo de la cual está distribuida la pluralidad de n de cámaras (3) está contenida en un plano Pα perpendicular al plano focal (P) que tiene una orientación coincidente con la orientación determinada por el eje del plano principal del módulo (1) a lo largo del cual se examina el ángulo α coincidente con la variable independiente de la función impulso h(α) con la que se desea caracterizar el módulo (1), - la posición de cada cámara (3) es tal que capta la imagen del módulo (1) situado en el soporte (6) correspondiente a la emisión de luz con una determinada dirección según el ángulo de incidencia α transmitida a través de la óptica colimadora (2), - el enfoque de la óptica (3.2) de cada una de las cámaras (3) es tal que la imagen obtenible del módulo (1) a través de la óptica colimadora (2) se encuentra dentro de la profundidad de campo, e) una unidad central de proceso (5) en comunicación con los sensores (3.1) de imagen de cada una de las cámaras (3) adaptado para recibir las imágenes (Ii, i >= 1. . n) captadas por los sensores (3.1) de imagen y para llevar a cabo el procesado de dichas imágenes; donde dicho método comprende las siguientes etapas: f) situar el módulo (1) a caracterizar sobre el soporte (6) orientado hacia la óptica colimadora (2), g) alimentar el módulo (1) eléctricamente para que opere en modo emisor emitiendo luz hacia la óptica colimadora (2), h) mientras el módulo (1) está emitiendo luz capturar la imagen (I) del módulo mediante los sensores (3.1) de imagen de cada una de las cámaras (3) de la pluralidad n de cámaras (3) y transferir dichas imágenes(Ii, i >= 1. . n) a la unidad central de proceso (5), i) mediante la unidad central de proceso (5), para una unidad elemental "óptica-célula solar" preestablecida de entre la pluralidad n e unidades elementales comprendidas en el módulo (1): - identificar en cada imagen(Ii, i>= 1. . n el área que corresponde a la unidad elemental "óptica-célula solar" preestablecida, - para cada imagen (Ii i>= 1. . n determinar el ángulo αidencia de la emisión del haz de luz que alcanza la cámara (3) que ha capturado dicha imagen, - para cada imagen (Ii i>= 1. . n evaluar la intensidad radiante de emisión del grupo "óptica-célula solar" a partir de la porción de imagen situada en el interior del área de imagen que corresponde a dicha unidad elemental "óptica-célula solar" preestablecida, j) a partir de la correspondencia entre cada uno de los ángulos αidencia de la emisión y los valores de la intensidad radiante valorados en la imagen asociada a dicho ángulo α de incidencia de la emisión generar una función discreta hi >= h(αi); i >= 1. . n, para la unidad elemental preestablecida, k) proveer de la función h(αi); i >= 1. . n como la función respuesta al impulso para una fuente puntual que caracteriza la unidad elemental "óptica-célula solar" preestablecida.

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DESCRIPCION

METODO Y DISPOSITIVO ADECUADO PARA LA CARACTERIZACION DE MODULOS FOTOVOLTAICOS DE

concentraciOn

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invencion es un dispositivo adecuado para caracterizar modulos fotovoltaicos de concentracion que permite obtener la funcion transmision angular tanto del modulo como de cada grupo formado por celula y optica, as^ como valorar la calidad optica del modulo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Los paneles fotovoltaicos convencionales consisten en una placa plana enteramente cubierta de celulas solares interconectadas entre sf y preparadas para recibir directamente la radiacion solar global. Se dice directamente por- que no es necesario interponer una optica entre el sol, la fuente de luz, y la celula solar. Este tipo de celulas solares son capaces de producir energfa a partir tanto de la luz incidente que proviene directamente del sol como a partir de la luz difusa por ejemplo resultado de reflexiones intermedias.

El documento US6512385B divulga un metodo para caracterizar dispositivos fotovoltaicos.

Para caracterizar el comportamiento de un panel fotovoltaico convencional basta analizar, en fabrica o laboratorio, la potencia electrica producida por el conjunto de celulas frente a un haz de luz uniforme sin que sea necesario repro- ducir la distribucion angular del sol en la medida en interior. La potencia de salida medida en el panel fotovoltaico bajo esa fuente de luz es, practicamente, la unica propiedad importante.

Existe otro tipo de paneles fotovoltaicos, los llamados modulos fotovoltaicos de concentracion. Los modulos fotovoltaicos de concentracion utilizan dispositivos opticos para aumentar la intensidad de luz que incide sobre las celulas y solo utilizan la luz directa procedente del disco solar, cuya extension angular en la superficie terrestre es de ± 0.27 grados, y de una region del cielo muy pequena alrededor del disco, denominada circunsolar.

Un modulo fotovoltaico de concentracion esta formado por una pluralidad de unidades elementales donde cada una de ellas dispone de una optica de concentracion que focaliza la radiacion directa incidente en el area de apertura de la optica en la celula solar. Esta celula es de un tamano mucho mas reducido que el area de las celulas solares empleadas en paneles fotovoltaicos convencionales y, en modo operativo, trabajan con intensidades tambien mayo- res incluso mil veces superiores.

Desde el punto de vista de la calidad estos sistemas tienen que tener controlados por lo menos tres elementos fun- cionales: la optica, las celulas y la interaccion entre ambas.

En un modulo fotovoltaico de concentracion, los desalineamientos entre la optica y la celula hacen que la radiacion concentrada por el sistema optico no incida sobre la celula solar o se reduzca de una forma importante. En el modulo fotovoltaico de concentracion, al estar formado por una pluralidad de grupos optica-celula solar, la estructura del modulo puede tener deformaciones o errores de montaje que dan lugar a que no todos los grupos entreguen la maxima potencia en la misma orientacion del modulo aunque individualmente la optica este bien montada respecto de su correspondiente celula solar. En la calidad del modulo fotovoltaico de concentracion intervendra la calidad de montaje de cada grupo optica-celula solar asf como la buena orientacion de cada uno de ellos dentro del modulo. Igualmente, la optica y la celula solar pueden tener defectos de fabricacion que empeoren el rendimiento individual de un grupo optica-celula solar.

La medida convencional del funcionamiento optico de un modulo fotovoltaico de concentracion consiste en iluminar el modulo y obtener la potencia generada a medida que la luz cambia su direccion con respecto a la normal (forma abreviada de denominar direccion normal) del modulo, pero manteniendo el vector direccion de la luz en el mismo plano que la normal durante toda la medida, plano que se denomina meridiano. De esta manera se estima cual es el funcionamiento del modulo bajo una fuente de luz determinada cuando el modulo se desalinea respecto de la fuente de luz. La funcion obtenida se llama funcion transmision angular /(a)del modulo fotovoltaico de concentracion. La funcion transmision angular se define para una determinada trayectoria de luz contenida en un plano meridiano del modulo fotovoltaico de concentracion siendo a el angulo de incidencia respecto a la normal que determina la posi- cion en dicha trayectoria.

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Se define la funcion transmision angular f(a)de una “unidad elemental” como la potencia entregada por dicha uni- dad elemental en funcion del angulo a de incidencia de la luz con la que se ilumina. Se hace uso del termino unidad elemental ya que la funcion transmision angular se puede evaluar o bien sobre un modulo formado por una plurali- dad de grupos optica-celula solar o bien sobre una unidad elemental formada por un unico grupo optica-celula solar.

En la practica, tal y como se lleva a cabo en el estado de la tecnica, para obtener esta funcion f(a) el modulo se ilumina de manera uniforme con una fuente de luz lo mas parecida al sol (tanto en amplitud angular como en espec- tro).

Existen actualmente dos opciones que nos permiten obtener esta medida:

Medida en el exterior:

El modulo se fija a un seguidor solar (en ingles conocido como “tracker”) responsable de mantener la orientacion de la normal al modulo hacia el Sol. El seguidor solar permite tambien determinar grados de desalineamiento respecto del Sol preestablecidos. Bajo distintas condiciones de iluminacion se llevan a cabo medidas con distintos angulos de desalineamiento y en particular con desalineamiento nulo.

El principal inconveniente de esta medida es la dependencia de las medidas con las condiciones meteorologicas asf como la poca repetitividad de las condiciones de medida (espectro, temperatura, irradiancia, velocidad del viento...).

Otro importante inconveniente de esta opcion es la necesidad de medir en el exterior. Al tiempo empleado en reali- zar la medida es necesario sumar el tiempo adicional que supone el traslado y montaje del o de los modulos.

Medida en el interior:

En la caracterizacion de un modulo fotovoltaico de concentracion, a causa de la optica de concentracion interpuesta, la fuente de luz que hay que utilizar para llevar a cabo las medidas no puede ser de gran tamano angular como en los paneles fotovoltaicos sino que ha de estar constituida por dispositivos que produzcan un haz colimado; es decir, un haz uniforme de rayos paralelos. Para realizar esta medida, es necesaria una fuente de luz que simule el Sol en todas sus caractensticas, incluida su extension angular. Los sistemas de iluminacion artificiales con haces paralelos y de gran area son diffciles de fabricar y, de entre los conocidos en el estado de la tecnica solo pueden operar en modo “flash”, para alcanzar los niveles de iluminacion necesarios con una duracion de iluminacion de pocas milesi- mas de segundo complicando la caracterizacion.

Para iluminar un modulo de concentracion, se debe utilizar lo que se conoce como “simulador solar de modulos de concentracion”. La principal diferencia respecto a un simulador de modulos convencionales radica en la colimacion de la fuente de luz imprescindible para medir modulos fotovoltaicos de concentracion. Para realizar la medida de la funcion de transmision angular ha de medirse la potencia del modulo mientras este es rotado respecto al haz de luz colimado gracias al movimiento de la estructura en la que se localiza.

El inconveniente principal de esta medida es la necesidad de incluir una estructura giratoria y el tiempo consumido en medir la potencia del modulo para diferentes posiciones. En realidad, se deben tomar tantas medidas como pun- tos o muestras se quieran a la hora de definir la funcion de transmision. En la practica se considera adecuado una resolucion de la funcion de transmision angular de 8 puntos como mmimo en una determinada direccion. Esto signi- fica que se necesitan 8 medidas de la potencia del modulo iluminado (con el consumo de recursos asociado), cada una en una posicion determinada. En total necesitamos 8 movimientos de modulo por cada direccion angular que quiera evaluarse.

La caracterizacion obtenida depende directamente de la fuente de luz utilizada. Por ello, si la luz con la que se ca- racteriza el sistema es diferente de la luz solar (en tamano angular y espectro), el comportamiento medido del modulo sera muy diferente en condiciones reales de operacion. De ah la importancia de utilizar un simulador solar adecuado para este tipo de modulos fotovoltaicos.

De todo esto se deduce que el control de calidad de los concentradores es problematico por razon de la fuente y porque tenemos que verificar tres aspectos: optica, celulas y su interaccion.

Si la caracterizacion de un modulo fotovoltaico de concentracion es costosa y poco viable para ser introducida en un proceso de fabricacion de modulos mas costosa aun es la caracterizacion de cada unidad elemental (grupo optica- celula solar) que forma el modulo. Las medidas tomadas a la salida del modulo es la suma de las contribuciones de cada unidad elemental. No es posible desmontar cada una de las unidades elementales ya que precisamente los errores de montaje son variables que se quieren tener en cuenta en la caracterizacion. Una alternativa consiste en tapar todas las unidades elementales salvo una y llevar a cabo tantas medidas como sean necesarias como para obtener la funcion de transmision angular con suficiente resolucion. Si esta labor es costosa e inoperativa para ca- racterizar una produccion, multiplicar este esfuerzo por el que requiere ir cubriendo todas las unidades elementales salvo una; y, que la unidad elemental sin cubrir sea cada vez una distinta lo hace todavfa mas costoso.

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La caracterizacion de sistemas fotovoltaicos de concentracion es una lmea de investigacion novedosa y muy desea- da por la industria del sector. Debido a la falta de herramientas utiles en la industria que permitan identificar proble- mas en la optica de los modulos fotovoltaicos de concentracion muchas veces se desconocen las causas que provo- can una disminucion de eficiencia de esta clase de modulos.

Con el dispositivo y metodo de acuerdo a la invencion es posible evaluar la optica de los sistemas de concentracion caracterizando, no solo el modulo, sino cada una de las unidades elementales por separado en una sola operacion que puede ser casi instantanea, se puede aplicar a la totalidad de los modulos fabricados y no solo a una muestra estadfstica y, entre otros resultados, tambien se puede obtener informacion adicional tal como el desalineamiento de las unidades elementales (grupos optica-celula solar) debido a las lentes, los secundarios, o las celulas; y asf tambien el desalineamiento del modulo en su conjunto respecto a sus elementos de fijacion.

La tecnica evita el uso de dispositivos caros tales como estructuras disenadas para el soporte y el giro del modulo o su iluminacion colimada; y provee de una caracterizacion independiente del modo de iluminacion.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

El metodo segun un primer aspecto de la invencion permite evaluar la optica de una unidad elemental formada por un unico grupo “optica-celula solar” obteniendo su respuesta impulsional h(a) en funcion del angulo a de incidencia de la luz. La respuesta impulsional es la funcion que caracteriza, en este caso el grupo optica-celula solar, el com- portamiento medido a traves de la potencia generada, en funcion del angulo a de incidencia, independientemente de la naturaleza de la fuente de iluminacion. El comportamiento del mismo dispositivo, en este caso el grupo optica- celula solar, frente a una fuente de luz como es el Sol s(a) se obtendra mediante la convolucion de la funcion que caracteriza el Sol con la respuesta impulsional. El resultado de esta convolucion es la funcion transmision angular f(a) = (h*s)(a).

Tal y como ya se ha indicado, tanto la respuesta impulsional h(a) como la funcion transmision angular f(a) se define para una determinada trayectoria de luz contenida en un plano meridiano del modulo fotovoltaico de concentracion siendo a el angulo de incidencia respecto a la normal que determina la posicion en dicha trayectoria. Al plano meridiano o a planos paralelos al meridiano lo denotaremos como Pa. La interseccion del plano meridiano Pa con el plano principal del modulo es una recta coincidente con la direccion a lo largo de la cual se expresa la evolucion de las funciones h(a) o f(a) cuando vana a. Tal y como se describira, esta direccion o trayectoria sera la que se esta- blecera mediante la orientacion de la alineacion de un conjunto de camaras.

Este mismo metodo segun la presente invencion permite evaluar una pluralidad de unidades elementales o la totalidad de las unidades que componen el modulo en una misma operacion donde esta evaluacion provee de las funciones que caracterizan cada una de estas unidades elementales.

El metodo lleva a cabo la caracterizacion de un modulo fotovoltaico de concentracion que a su vez comprende una pluralidad de unidades elementales “optica-celula solar”. El metodo es aplicable a un dispositivo que comprende:

a) una optica colimadora definiendo el plano focal orientado perpendicular al eje focal de la optica colimadora y posicionado pasando por el foco de dicha optica colimadora,

b) un soporte adecuado para soportar el modulo a caracterizar situado en un lugar del plano focal y con la superfi- cie receptora principal del modulo orientada hacia la optica colimadora.

La posicion de la optica colimadora va a ser utilizada como elemento de referencia ya que define la posicion y orientacion del eje focal y tambien de su foco. El plano perpendicular a este eje focal pasando por el foco es el plano focal que servira para distribuir diversos componentes segun ejemplos de realizacion. En particular en el plano focal se situa el soporte del modulo que permite que en modo operativo dicho modulo este orientado ha- cia la optica colimadora. El modulo se situa en un lugar del plano focal donde segun diversos ejemplos de realizacion la posicion respecto del foco dara lugar a distintas configuraciones posibles.

c) una fuente de alimentacion adecuada para alimentar electricamente el modulo de tal modo que dicho modulo opere como un emisor de luz.

Si bien en el estado de la tecnica el modulo es caracterizado procediendo a su iluminacion o bien natural con luz solar o bien con elementos cuya emision tiene un espectro conocido, en la presente invencion la fuente de luz es el propio modulo. Los modulos formados por celulas solares admiten la alimentacion electrica para operar como emisores de luz. En la invencion se provee de una fuente de alimentacion adaptada para que el modulo que se instala en el soporte opere de este modo, emitiendo luz. Una primera ventaja de esta estrategia es que las medidas obtenidas no dependeran del espectro de una fuente de luz externa y no es necesaria una fuente externa capaz de iluminar la totalidad del modulo.

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d) una pluralidad n de camaras que a su vez comprenden un sensor de imagen y una optica:

- la pluralidad n de camaras esta distribuida a lo largo de una tfnea esencialmente situada en el plano focal donde cada una de las camaras esta orientada para tomar una imagen del modulo a traves de la optica colimadora,

- la tfnea a lo largo de la cual esta distribuida la pluralidad de n de camaras esta contenida en un plano Pa perpendicular al plano focal que tiene una orientacion coincidente con la orientacion determinada por el eje del plano principal del modulo a lo largo del cual se examina el angulo a coincidente con la variable independiente de la funcion impulso h(a) con la que se desea caracterizar el modulo,

- la posicion de cada camara es tal que capta la imagen del modulo situado en el soporte correspondien- te a la emision de luz con una determinada direccion segun el angulo de incidencia a transmitida a tra- ves de la optica colimadora,

- el enfoque de la optica de cada una de las camaras es tal que la imagen obtenible del modulo a traves de la optica colimadora se encuentra dentro de la profundidad de campo.

El modulo situado sobre el soporte esta orientado hacia la optica colimadora. Las n camaras que forman el dis- positivo estan orientadas para tomar una imagen del modulo a traves de la optica colimadora y en particular, cuando el modulo esta en modo operativo operando como un emisor de luz, las camaras permiten tomar una imagen del modulo iluminado debido a que esta generando luz.

Las camaras no solo tienen un sensor que recibe la luz emitida por el modulo con la interposicion de la optica colimadora sino que, al estar dotadas de una optica enfocada en el modulo, el sensor recibe la imagen del modulo iluminado observado con un angulo de incidencia a determinado por la posicion de la camara en el plano focal.

Dado que el objetivo de la invencion es el de obtener una caracterizacion del modulo proveyendo de su res- puesta impulsional, la funcion h(a), la posicion de las camaras en el plano focal a lo largo de una lmea es tal que cada una de las posiciones corresponde a valores del angulo de incidencia at distintos tales que permiten definir la funcion h(a) a partir de un conjunto de valores h; = h(at) discretos.

La imagen del modulo operando como emisor de luz depende del angulo de incidencia a y esta imagen contiene al menos un area donde se muestra la captura de una unidad elemental. La pluralidad de n de camaras, cada una de ellas teniendo una posicion distinta, proveen imagenes conteniendo un area de la al menos una unidad elemental que corresponden a un angulo de incidencia at distinto. Si las imagenes contienen areas que corres- ponden a mas de una unidad elemental, a partir de las mismas imagenes es posible la obtencion de tantas fun- ciones respuesta impulsional como unidades elementales son capturadas.

Se define un plano Pa perpendicular al plano focal de tal modo que la interseccion entre este plano Pa y el plano focal coincide con la orientacion de la trayectoria a lo largo de la cual se extiende la pluralidad de camaras. Esta misma trayectoria coincide con la orientacion del eje situado sobre el plano definido por la superficie del modulo a lo largo del cual se mide la evolucion del angulo.

e) una unidad central de proceso en comunicacion con los sensores de imagen de cada una de las camaras adaptado para recibirlas imagenes (Iui = 1..ri) captadas porlos sensores de imagen ypara llevar a cabo el procesado de dichas imagenes;

La unidad central de proceso es la que esta adaptada para llevar a cabo las etapas del metodo que permiten la caracterizacion. Esta unidad central de proceso no obstante puede estar a su vez comprendida por otras subunidades de proceso especializadas en tareas espedficas o que por ejemplo lleven a cabo el procesado de imagenes en paralelo.

El metodo segun la invencion comprende las siguientes etapas:

f) situar el modulo a caracterizar sobre el soporte orientado hacia la optica colimadora,

g) alimentar el modulo electricamente para que opere en modo emisor emitiendo luz hacia la optica colimadora,

h) mientras el modulo esta emitiendo luz capturar la imagen del modulo mediante los sensores de imagen de cada una de las camaras de la pluralidad n de camaras y transferir dichas imagenes(Il,i = 1..n) a la unidad central de proceso,

i) mediante la unidad central de proceso, para una unidad elemental “optica-celula solar” preestablecida de entre la pluralidad n de unidades elementales comprendidas en el modulo:

- identificar en cada imagen(Il,i = 1..n) el area que corresponde a la unidad elemental “optica-celula solar” preestablecido,

- para cada imagen (Iui = 1..n) determinar el angulo a de incidencia de la emision del haz de luz que alcanza la camara que ha capturado dicha imagen,

- para cada imagen (Iu i = 1.. n) evaluar la intensidad radiante de emision del grupo “optica-celula solar” a partir de la porcion de imagen situada en el interior del area de imagen que corresponde a dicha uni-

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dad elemental “optica-celula solar” preestablecida.

El dispositivo admite uno o varios modulos a caracterizar que se situan en el soporte orientado hacia la optica colimadora. La alimentacion del modulo permite que este opere como emisor de luz de tal modo que las camaras son capaces de captar la imagen del modulo iluminado, esto es, produciendo luz. Al menos una unidad elemental “optica-celula solar” aparecera como un area determinada en cada una de las imagenes. Por ejemplo si la imagen capta la totalidad de las unidades elementales “optica-celula solar” distribuidas por filas y columnas, la imagen tendra aspecto de “tablero de ajedrez” formado por areas o regiones de la imagen distribuidas en forma de matriz y de tal modo que cada area corresponded con una unidad elemental y la distribucion sera la misma en todas las imagenes. De imagen a imagen variara el grado de iluminacion que se observa en cada unidad elemental segun la camara que ha capturado dicha imagen. Si la camara unicamente estuviese formada por un sensor, este solo registrana la suma de las aportaciones de los rayos incidentes que alcanzasen el sensor; esto es, se tendna un valor ponderado suma de las aportaciones de cada unidad elemental. Al contrario, el uso de una optica enfocada permite que cada camara genere una imagen donde cada una de ellas repite el patron formado por la pluralidad de unidades elementales contenidas en el modulo. De esta forma, el conjunto de imagenes permite caracterizar al menos una unidad elemental y de forma ventajosa tambien la totalidad de las unidades elementales que aparecen en todas las imagenes.

El metodo identifica el area que corresponde a la unidad elemental que se va a caracterizar para cada una de las imagenes. La imagen de la unidad elemental emitiendo luz esta representada por el conjunto de pfxeles que comprenden el area de la imagen que se ha capturado de la unidad elemental. Un experto en la materia es ca- paz de establecer un valor de la intensidad radiante a partir de los valores que toman los pfxeles en la porcion de imagen que corresponde a dicha unidad elemental “optica-celula solar” objeto de caracterizacion. Por ejemplo es posible asociar un valor del pixel a un valor de la intensidad radiante mediante una pre-calibracion y to- mar como valor de la porcion de imagen el valor ponderado a partir de todos los pfxeles que estan comprendi- dos en dicha porcion.

j) a partir de la correspondencia entre cada uno de los angulos a de incidenda de la emision y los valores de la intensidad radiante valorados en la imagen asociada a dicho angulo a de incidencia de la emision generar una funcion discreta h; = h(at);i = 1 ..n, para la unidad elemental preestablecida,

k) proveer de la funcion h(at);i = 1..n como la funcion respuesta al impulso para una fuente puntual que caracte- riza la unidad elemental “optica-celula solar” preestablecida.

Cada una de las imagenes provee de una muestra de la funcion respuesta al impulso, la que corresponde al angulo de incidencia de la camara que ha captado la imagen. La pluralidad de n camaras provee de n muestras de la funcion discreta h; = h(at);i = 1..n. A partir de estas muestras es posible construir una funcion continua aproximante por ejemplo por interpolacion o por correlacion de funciones conocidas por poner dos ejemplos.

Un segundo aspecto de la invencion es el dispositivo que permite soportar el modulo y caracterizarlo haciendo uso

del metodo de acuerdo al primer aspecto inventivo.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Estas y otras caractensticas y ventajas de la invencion, se pondran mas claramente de manifiesto a partir de la des- cripcion detallada que sigue de una forma preferida de realizacion, dada unicamente a tftulo de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompanan.

Figura 1A En esta figura se muestra en alzado un esquema de distribucion de los componentes que permiten

caracterizar un modulo fotovoltaico de concentracion segun un primer ejemplo de realizacion.

Figura 1B En esta figura se muestra en alzado un esquema de distribucion de los componentes que permiten

caracterizar un modulo fotovoltaico de concentracion segun un segundo ejemplo de realizacion.

Figura 2 En esta figura se muestra el plano focal sobre el que quedan distribuido el modulo y las camaras

para la captura de la imagen.

Figura 3 En esta figura se muestra esquematicamente una camara con su optica.

Figura 4 En esta figura se muestra un ejemplo de capturas de imagen y la reconstruccion de la funcion

respuesta impulsional a partir de la informacion tomada en las imagenes.

Figura 5

En esta figura se muestra el modulo y las distintas direcciones relevantes en la presente invencion.

EXPOSICION DETALLADA DE LA INVENCION

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La presente invencion, de acuerdo al primer aspecto inventivo, es un metodo de caracterizacion de un modulo foto- voltaico de concentracion. En la figura 1 se muestra de forma esquematica un primer ejemplo de realizacion de dis- positivo que permite llevar a cabo la caracterizacion. A la derecha de la figura se muestra una optica colimadora (2) donde en este ejemplo de realizacion esta constituida por un espejo colimador.

Esta optica colimadora (2) define un eje focal (C) que se muestra en lmea de trazos y puntos y tambien un foco (F) situado sobre el eje focal (C).

Perpendicular al eje focal se representa una lmea de trazos que representa el plano focal (P). El plano focal (P) queda dispuesto perpendicular al papel donde se representa la figura 1.

Situado bajo la lmea del eje focal (C) se muestra un soporte (6) adecuado para soportar el modulo (1) a caracterizar. Una vez que el modulo (1) se coloca sobre el soporte (6) la superficie del modulo (1) se encuentra principalmente en el plano focal (P) y orientado hacia la optica colimadora (2).

Se muestra tambien una fuente de alimentacion (4) adecuada para alimentar electricamente el modulo (1) de tal modo que dicho modulo (1) opera como emisor de luz. De forma esquematica la figura 1 muestra cuatro haces de luz saliendo del modulo (1) en direccion perpendicular a la superficie donde se encuentra la pluralidad de unidades elementales “optica-celula solar” que forman el modulo (1). Los haces estan representados en lmea continua y para- lelos incidiendo sobre la optica colimadora (2). Por reflexion estos haces son concentrados en el foco (F) de la optica colimadora (2). De la luz emitida tambien hay haces que salen con un determinado angulo a. Estos haces se repre- sentan saliendo del mismo punto del modulo que los haces perpendiculares pero con el angulo de salida a y representados en lmea discontinua fina.

Los haces que salen con un angulo a tambien inciden en la optica colimadora solo que son concentrados en un punto distinto del plano focal (P). En el foco (F) donde se concentran los haces con angulo de salida del modulo a = 0 esta situada una camara (3) y en el punto del plano focal (P) donde se concentran los haces con un angulo determinado a de salida del modulo, los representados en lmea de trazos, es donde tambien hay dispuesta otra camara (3). En este ejemplo de realizacion se han dispuesto cinco camaras alineadas, contenidas en el plano focal (P), de tal modo que estan situadas para que la camara (3) central se corresponda con un angulo de incidencia nulo y haya camaras (3) para dos angulos distintos positivos y dos angulos distintos negativos.

Las camaras (3) estan formadas por un sensor (3.1) y una optica (3.2) tal y como se muestra en la figura 3. La optica (3.2) esta adecuadamente enfocada sobre la superficie principal del modulo (1) a traves de la optica colimadora (2) y hace que en el sensor (3.1) de la camara (3) se proyecte una imagen del modulo (1) visto a traves de la optica colimadora (2).

En este ejemplo de realizacion, las cinco imagenes tomadas mediante las cinco camaras (3) son transmitidas a una unidad central de proceso (5) para su posterior tratamiento tal y como se describira mas adelante.

En este ejemplo de realizacion las camaras (3) estan distribuidas verticalmente segun la orientacion en la que se muestra la figura 1. La caracterizacion de la al menos una unidad elemental del modulo (1) sera mediante una fun- cion de respuesta al impulso h(a). Acudiendo a la figura 5, el modulo (1) tiene un plano principal sobre el que esta definida la normal n. El plano meridiano Pa contiene la normal n y tiene una orientacion tal que la interseccion con el plano principal del modulo (1) es la lmea L1. Un vector contenido en el plano meridiano Pa y con una inclinacion determinada a tendra su proyeccion sobre el plano principal del modulo (1) situada en la lmea L1. La orientacion de esta lmea L1 es coincidente con la orientacion de la lmea a lo largo de la cual se distribuyen las camaras (3). Si en la figura 1 en lugar de estar las camaras (3) distribuidas verticalmente estuviesen distribuidas horizontalmente enton- ces la funcion de respuesta al impulso h(a) obtenida corresponded a un eje situado en el plano principal del modulo (1) segun L2. La direccion del eje al que corresponde h(a) en el modulo (1) es la direccion tambien que establece la orientacion del plano perpendicular al plano focal y que contiene la alineacion de camaras (3).

La figura 1B muestra un segundo ejemplo de realizacion que contiene los mismos elementos que el primer ejemplo de realizacion solo que el soporte (6) del modulo esta inclinado un angulo 8. De esta forma los haces de luz que salen perpendiculares al plano principal del modulo (1) salen tambien inclinados un angulo 8 de tal modo que la reflexion en la optica colimadora (2) no es en el foco (F) sino por encima del foco (F). En el primer ejemplo de realizacion, al situar la pluralidad de camaras (3) en torno al foco (F) situando camaras por encima y por debajo dejan menos espacio al modulo (1). Si el modulo (1) es grande, al disponer las camaras (3) por encima del eje focal (C) se dispone de todo el espacio que hay en el plano focal (P) por debajo del eje focal (C) para el modulo (1). En este caso se indica encima y debajo haciendo referencia a la orientacion mostrada en la figura 1B, no obstante se entiende que lo que importa es que el soporte esta a un lado del eje focal (C) y que la pluralidad de camaras (3) esta al otro lado del eje focal (C).

5

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20

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50

55

60

El angulo 5 no tiene que ser suficientemente grande como para que la totalidad de las camaras esten al otro lado del eje focal (C), por pequeno que sea 5 se producira un desplazamiento del grupo de camaras (3) dejando mas espacio al modulo (1). Lo que es relevante es que la alineacion de camaras debe tambien tener un angulo 5 de inclinacion en sentido opuesto y en el mismo plano. En este caso en el plano paralelo al plano del dibujo.

La ligera inclinacion que impone el angulo 5 distancia algunas de las camaras (3) del plano focal y tambien el plano principal del modulo deja de estar estrictamente contenido en el plano focal (P). No obstante, la profundidad de campo de las opticas (3.2) de las camaras (3) hace que estas desviaciones no impidan que la invencion funcione.

La figura 2 muestra el plano focal (P) paralelo al papel para permitir observar distribuciones de pluralidades de camaras (3) segun diversos ejemplos de realizacion y el efecto tecnico que tienen dichas distribuciones en la caracteri- zacion del modulo (1).

En la parte inferior del plano focal (P) se muestra la superficie principal del modulo (1) con una distribucion matricial de unidades elementales “optica-celula solar” (1.1). Cada una de estas unidades elementales (1.1) es vista en este ejemplo de realizacion como un cuadrado. La distribucion matricial se extiende por filas horizontales y por filas verti- cales.

Por encima del modulo se encuentran las camaras (3). La lmea L1 vertical es la distribucion de camaras (1) vertical tal y como se ha utilizado en el primer y segundo ejemplo. Una distribucion horizontal de camaras (3) seguina una orientacion segun L2. Esta distribucion se ha destacado haciendo uso de drculos rellenos en negro en lugar de solo drculos. El uso de una distribucion de camaras (3) segun una lmea vertical (L1) permite caracterizar una o mas unidades elementales del modulo (1) mediante funciones de respuesta al impulso segun un eje vertical. Si se hace uso de una distribucion de camaras (3) segun una lmea horizontal (L2) es posible caracterizar una o mas unidades elementales del modulo (1) mediante funciones de respuesta al impulso segun un eje horizontal. Si se disponen camaras (3) dispuestas en una distribucion vertical y en horizontal, por ejemplo formando una cruz, es posible obte- ner caracterizaciones segun dos ejes coordenados. En la figura 5 las lmeas L1 y L2 son los ejes coordenados.

En la figura 2 se muestra una matriz de camaras (3) que permiten simultaneamente no solo caracterizar segun ejes coordenados sino que se pueden tomar alineaciones oblicuas sin mas que hacer la seleccion de imagenes apropia- das mediante la unidad central de proceso (5).

La figura 4 muestra una secuencia de cinco imagenes tomadas por cinco camaras (3) alineadas segun por ejemplo L1 de un modulo (1) formado por unidades elementales “optica-celula solar” (1.1) distribuidas en una matriz 5x5.

La posicion de la primera camara (3) corresponde a un angulo de incidencia a=-1.8°, la segunda camara (3) a un angulo de incidencia a=-0.9°, la tercera camara (3) a un angulo de incidencia a=0°, la cuarta camara (3) a un angulo de incidencia a=0.9°; y, la quinta camara (3) a un angulo de incidencia a=1.8°.

En cada una de las imagenes se observa la totalidad de las unidades elementales “optica-celula solar” (1.1) obser- vandose 25 areas o regiones distribuidas en 5 filas y 5 columnas ya que muestran una captura del modulo (1) formado por una matriz 5x5 de unidades elementales “optica-celula solar” (1.1) iluminado gracias a la alimentacion (4).

En este ejemplo de realizacion se caracteriza la unidad elemental “optica-celula solar” (1.1) situada en el centro de la matriz 5x5. El metodo, una vez capturadas las cinco imagenes, identifica el area que corresponde a la unidad elemental predeterminada (la central). Esta identificacion se muestra en forma de rectangulo blanco superpuesto a cada una de las imagenes enmarcando el area de la imagen que corresponde a dicha unidad elemental (1.1).

Para cada area correspondiente a la unidad elemental predeterminada se lleva a cabo la evaluacion de la intensidad radiante de emision por ejemplo preasignando valores que toman los pfxeles con valores de intensidad radiante tras llevar a cabo una precalibracion y ponderando los valores que corresponden a todos los pfxeles que hay en el area.

Para cada angulo a se tiene un valor de la intensidad radiante que permite construir la funcion discreta que se muestra en la parte inferior de la figura 4. En este caso la funcion continua h(a) representada mediante una curva en trazo continuo se ha generado mediante un polinomio interpolatorio a partir de los cinco valores de la funcion discreta h(at),i = 1, ..,5.

En las imagenes se muestran tambien areas del resto de las unidades elementales (1.1). A partir de estas mismas imagenes se podna caracterizar cada una de las 25 unidades elementales (1.1) para la direccion definida por la lmea a lo largo de la cual estan distribuidas las camaras (3). Para poder comparar las curvas obtenidas para las unidades individuales, las celulas debenan emitir con la misma intensidad, sin embargo esto no ocurre. Cada celula en el modulo emite con una intensidad distinta (no todas tienen por que emitir igual) por lo que la curva que se obtie- ne se normaliza. Esto es, cada conjunto lente-celula se normaliza por la suma de todos los valores que forman dicha curva. De esta manera, es posible comparar las curvas entre las diferentes lentes, asumiendo que todas emiten con

la misma intensidad.

Si la adquisicion de imagenes fuese mediante una matriz de camaras, la invencion permite construir una funcion de respuesta al impulso bidimensional. Cada funcion respuesta al impulso en una determinada direccion se correspon- 5 de a la funcion obtenida seleccionando las imagenes segun dicha direccion. La seleccion de imagenes segun una diagonal permitina por ejemplo construir la funcion respuesta al impulso para caracterizar una determinada unidad elemental (1.1) segun una direccion oblicua a 45 grados respecto de las lmeas coordenadas L1 y L2 si estas son verticales y horizontales respectivamente tal y como se representan en la figura 2.

10 Es tambien objeto de la invencion los componentes que admiten el soporte para ser este caracterizado aplicando el metodo segun el primer aspecto inventivo.

Claims (14)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   REIVINDICACIONES

   1. - Metodo para la caracterizacion de un modulo (1) fotovoltaico de concentracion que a su vez comprende una pluralidad de unidades elementales “optica-celula solar”, aplicable a un dispositivo que comprende:

   a) una optica colimadora (2) definiendo el plano focal (P) orientado perpendicular al eje focal (C) de la optica coli- madora (2) y posicionado pasando por el foco (F) de dicha optica colimadora (2),

   b) un soporte (6) adecuado para soportar el modulo (1) a caracterizar situado en un lugar del plano focal (P) y con la superficie receptora principal del modulo (1) orientada hacia la optica colimadora (2),

   c) una fuente de alimentacion (4) adecuada para alimentar electricamente el modulo (1) de tal modo que dicho modulo (1) opere como un emisor de luz,

   d) una pluralidad n de camaras (3) que a su vez comprenden un sensor de imagen (3.1) y una optica (3.2) donde:

   - la pluralidad n de camaras (3) esta distribuida a lo largo de una lmea (L1, L2) esencialmente situada en

   el plano focal (P) donde cada una de las camaras (3) esta orientada para tomar una imagen del modu

   lo (1) a traves de la optica colimadora (2),

   - la lmea (L1, L2) a lo largo de la cual esta distribuida la pluralidad de n de camaras (3) esta contenida en un plano Pa perpendicular al plano focal (P) que tiene una orientacion coincidente con la orientacion determinada por el eje del plano principal del modulo (1) a lo largo del cual se examina el angulo a coincidente con la variable independiente de la funcion impulso h(a) con la que se desea caracterizar el modulo (1),

   - la posicion de cada camara (3) es tal que capta la imagen del modulo (1) situado en el soporte (6) co- rrespondiente a la emision de luz con una determinada direccion segun el angulo de incidencia a transmitida a traves de la optica colimadora (2),

   - el enfoque de la optica (3.2) de cada una de las camaras (3) es tal que la imagen obtenible del modulo (1) a traves de la optica colimadora (2) se encuentra dentro de la profundidad de campo,

   e) una unidad central de proceso (5) en comunicacion con los sensores (3.1) de imagen de cada una de las camaras (3) adaptado para recibir las imagenes (It,i = 1..n) captadas por los sensores (3.1) de imagen y para llevar a cabo el procesado de dichas imagenes;

   donde dicho metodo comprende las siguientes etapas:

   f) situar el modulo (1) a caracterizar sobre el soporte (6) orientado hacia la optica colimadora (2),

   g) alimentar el modulo (1) electricamente para que opere en modo emisor emitiendo luz hacia la optica colimado- ra (2),

   h) mientras el modulo (1) esta emitiendo luz capturar la imagen (I) del modulo mediante los sensores (3.1) de imagen de cada una de las camaras (3) de la pluralidad n de camaras (3) y transferir dichas imagenes(/;,i = 1..n) a la unidad central de proceso (5),

   i) mediante la unidad central de proceso (5), para una unidad elemental “optica-celula solar” preestablecida de entre la pluralidad n de unidades elementales comprendidas en el modulo (1):

   - identificar en cada imagen(/;,t = 1..n) el area que corresponde a la unidad elemental “optica-celula solar” preestablecida,

   - para cada imagen (lt,i = 1..ri) determinar el angulo a de incidencia de la emision del haz de luz que alcanza la camara (3) que ha capturado dicha imagen,

   - para cada imagen (It,i = 1..ri) evaluar la intensidad radiante de emision del grupo “optica-celula solar” a partir de la porcion de imagen situada en el interior del area de imagen que corresponde a dicha uni- dad elemental “optica-celula solar” preestablecida,

   j) a partir de la correspondencia entre cada uno de los angulos a de incidencia de la emision y los valores de la intensidad radiante valorados en la imagen asociada a dicho angulo a de incidencia de la emision generar una funcion discreta h; = h(at);i = 1..n, para la unidad elemental preestablecida,

   k) proveer de la funcion h(at);i = 1..n como la funcion respuesta al impulso para una fuente puntual que caracte- riza la unidad elemental “optica-celula solar” preestablecida.
2. 2. - Metodo segun la reivindicacion 1 caracterizado por que mediante las imagenes capturadas en la etapa h), las etapas i) y j) se llevan a cabo para una pluralidad de unidades elementales “optica-celula solar” o para la totalidad de unidades elementales “optica-celula solar” caracterizando a partir de las mismas imagenes dicha pluralidad o la totalidad de los grupos “optica-celula solar”.
3. 3. - Metodo segun la reivindicacion 1 o 2 caracterizado por que el dispositivo comprende una multiplicidad m de filas formadas por pluralidades de n de camaras (3) distribuidas a lo largo de cada fila dando lugar a una matriz de camaras (3), estando esta matriz de camaras (3) esencialmente situada en el plano focal (P).
4. 4. - Metodo segun la reivindicacion 3 caracterizado por que mediante imagenes de camaras distribuidas por filas en la matriz y mediante imagenes de camaras distribuidas por columnas en la misma matriz, las etapas i) y j) se llevan a cabo, para una o mas unidades elementales “optica-celula solar”, para caracterizar simultaneamente mediante funciones respuesta al impulso correspondientes a direcciones de incidencia contenidos en los planos determinados por las posiciones de las camaras.

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   35
5. 5. - Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por que el soporte (6) adecuado para sopor- tar el modulo (1) esta inclinado respecto del eje focal (C) de la optica colimadora (2) y la pluralidad de n camaras (3) esta distanciada del mismo eje focal (C).
6. 6. - Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por que el soporte (6) adecuado para sopor- tar el modulo (1) es paralelo al plano al plano focal (P) y perpendicular respecto del eje focal (C) de la optica colimadora (2); y, la pluralidad de n camaras (3) esta centrada respecto del eje focal (C).
7. 7. - Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que al menos una de las camaras (3) tiene el enfoque establecido con una distancia focal situada en el infinito.
8. 8. - Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la unidad central de proce- so (5) esta a su vez comprendida por sub unidades centrales de proceso encargadas de tareas espedficas.
9. 9. - Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la intensidad radiante asociada a un area de la imagen se determina asignando un valor escalar determinado a cada pixel del area y a partir de estos valores la intensidad radiante se calcula como la suma de todos los valores asignados.
10. 10. - Metodo segun la reivindicacion 9 caracterizado por que el valor de la intensidad radiante asociada a un area de la imagen tomada como muestra de una curva se normaliza por la suma de todos los valores que forman dicha cur- va.
11. 11. - Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que, dada una fuente de radiacion definida a partir de su funcion caractenstica s(a), se determina la funcion de transmision angular f(a) que caracteri- za el comportamiento de una unidad elemental “optica-celula solar” frente a dicha fuente como la convolucion de la funcion caractenstica s(a) con la funcion respuesta al impulso

    f(a) = (f*h)(a)

    obtenida para dicha unidad elemental.
12. 12. -Dispositivo adecuado para la caracterizacion de un modulo (1) fotovoltaico de concentracion que comprende los componentes a)-e) de la reivindicacion 1 y donde la unidad central de proceso (5) esta adaptada para llevar a cabo las tareas f)-j) de dicha reivindicacion 1.
13. 13. - Dispositivo segun la reivindicacion 12 caracterizado por que comprende una matriz de camaras (3).
14. 14. - Dispositivo segun la reivindicacion 12 caracterizado por que la optica colimadora es un espejo (2) colimador.