ES2642209T3 - Panel solar de guía de luz y método de fabricación del mismo - Google Patents

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Description

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DESCRIPCION
Panel solar de gma de luz y metodo de fabricacion del mismo Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica el beneficio de la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos Num. 60/915,207 presentada el 1ro de mayo de 2007; la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos Num. 60/942.745 presentada el 8 de junio de 2007; y la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos Num. 60/951.775 presentada el 25 de julio de 2007.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere generalmente a paneles solares. Mas particularmente, la presente invencion se refiere a paneles solares concentradores de gma de luz.
Antecedentes de la invencion
Se conocen los conjuntos de paneles solares que tienen celdas fotovoltaicas (PV) dispuestas sobre una gran superficie expuesta directamente al sol. Sin embargo, el material de celdas PV es caro y se han buscado soluciones para reducir la cantidad de material de celda PV requerido en paneles solares. Una de estas soluciones usa elementos opticos de concentracion, tales como lentes y espejos, para concentrar la luz solar en una superficie mas pequena ocupada por una celda PV en correspondencia mas pequena. Dado que los elementos opticos de concentracion tienen una longitud focal distinta de cero, constituyen modulos fotovoltaicos concentrados (CPV) que tfpicamente son mas voluminosos que sus homologos no concentrados. Este volumen es desventajoso no solo en terminos de manejo de los modulos cPv, sino tambien en terminos de costos de material. Se pueden obtener modulos CPV menos voluminosos manteniendo el mismo factor de concentracion reduciendo el tamano de la celda PV; sin embargo, cortar las celdas PV en celdas mas pequenas aumenta la complejidad y el costo de los modulos.
Adicionalmente, los modulos CPV actuales requieren tfpicamente que los elementos opticos de concentracion se aseguren en un recinto estructural complejo para mantener todos los elementos en su lugar. Esto invariablemente se agrega al peso y costo de los modulos CPV, y o bien hace los requisitos de envfo mas estrictos para mitigar el riesgo de rotura de los modulos CPV montados o, requiere que los modulos CPV se envfen desmontados a su destino, requiriendo de esta manera esfuerzo y tiempo de montaje en el destino receptor.
Por lo tanto, es conveniente proporcionar un modulo CPV que sea menos voluminoso que los modulos CPV existentes. Tambien es conveniente proporcionar un modulo CPV que requiera menos material de celda PV que los modulos CPV conocidos. Adicionalmente, es conveniente proporcionar un modulo CPV que requiera un recinto estructural menos complejo y voluminoso para concentrar elementos opticos que en modulos CPV conocidos. El documento US 2002/148497 A1 describe un modulo de concentracion generico que tiene un dispositivo de tubo gma con una pluralidad de caras de entrada dirigidas a elementos de concentracion opticos para enfocar los rayos de luz solar a una pluralidad de tubos gmas curvados acoplados a una porcion de tronco conica. El documento US 3,780,722 A describe un colector solar de concentracion que tiene una pluralidad de microcristales de fibra optica fabricados de un conjunto de fibras de vidrio que tienen una porcion superior agrandada para concentrar pasivamente y suministrar luz solar a un generador termoelectrico.
Chaves, J. y otros (2000): Ultra flat ideal concentrators of high concentration. Solar Energy, Vol. 69, Num. 4, paginas 269 - 281, ISSN: 0038-092X describe un metodo para disenar dispositivos no formadores de imagen.
Resumen de la invencion
Es un objeto de la presente invencion, como se define en la reivindicacion 1, obviar o mitigar al menos una desventaja de los paneles solares anteriores.
En un aspecto, la presente invencion proporciona un panel solar de gma de luz operable junto con un colector de energfa solar, el panel solar de gma de luz comprende:
una etapa de insercion de luz formada en una primera placa de material optico transmisivo, la etapa de insercion de luz tiene una superficie de entrada para recibir luz solar incidente, una pluralidad de elementos opticos, y una pluralidad de caras de salida, los elementos opticos se forman entre la superficie de entrada y la pluralidad de caras de salida, cada uno de la pluralidad de elementos opticos enfoca la luz solar incidente sobre el elemento optico hacia una de la pluralidad de caras de salida correspondiente y de esta manera dirige la luz solar hacia el colector de energfa solar; una etapa de gma de ondas optica formada en una segunda placa de material optico transmisivo, la etapa de gma de ondas optica tiene una primera superficie, una pluralidad de elementos de reflexion interna total opuestos a la primera superficie, una pluralidad de caras de inyeccion y una superficie de salida, cada una de la pluralidad de caras de inyeccion situadas entre los elementos de reflexion interna total adyacentes, la etapa de gma de ondas optica el mas gruesa aguas abajo que aguas arriba y cada cara de inyeccion de la etapa de gma de ondas optica se acopla
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opticamente a una de las caras de salida de la etapa de insercion de luz para formar una pluralidad de elementos opticos de salida para recibir la luz solar desde la etapa de insercion de la luz, en la que la luz solar se enfoca y entra en la etapa de la gma de ondas optica a traves de la pluralidad de aberturas opticas despues de una unica reflexion de la luz solar incidente por los elementos opticos; la etapa de gma de ondas optica gma la luz solar a traves de una serie de reflexiones totales internas entre la primera superficie y la pluralidad de elementos de reflexion interna total hacia la superficie de salida; y
un elemento optico de pellizco fabricado de un material optico transmisivo acoplado opticamente a la etapa de gma de ondas optica, asegurado entre la etapa de gma de ondas optica y el colector de energfa solar, para concentrar la luz solar sobre el colector de energfa solar.
El panel solar puede tener los elementos opticos separados entre sf a lo largo de lmeas sustancialmente paralelas y la superficie de salida puede ser sustancialmente no ortogonal a la superficie de entrada.
El panel solar puede tener los elementos opticos separados entre sf a lo largo de arcos circulares sustancialmente concentricos, y la superficie de salida puede conformarse como un arco de cfrculo sustancialmente concentrico con respecto a los elementos opticos.
El panel solar puede tener elementos opticos que incluyen al menos uno de los reflectores parabolicos, reflectores cubicos, reflectores hiperbolicos, reflectores elfpticos, reflectores planos y reflectores redondos.
El panel solar puede tener la etapa de gma de ondas optica en forma de cuna. El panel solar puede tener la etapa de gma de ondas optica al menos parcialmente en forma de cono.
El panel solar tiene la etapa de gma de ondas optica que incluye una primera superficie fuera de la cual la luz recibida de la al menos una abertura de salida optica pasa a traves de una primera reflexion total interna. El panel solar segun se reivindica puede tener al menos una de la superficie de entrada y la primera superficie con una capa de revestimiento formada sobre la misma.
El panel solar segun se reivindica tiene la seccion de gma de ondas optica con una pluralidad de elementos reflectores formados opuestos a la primera superficie, la pluralidad de elementos reflectores reciben la luz reflejada totalmente internamente desde la primera superficie y reflejan la luz totalmente internamente reflejada hacia la primera superficie. La pluralidad de elementos reflectores puede incluir reflectores planos. Los reflectores planos pueden ser sustancialmente paralelos a la primera superficie. Dicha pluralidad de elementos reflectores tiene superficies de reflexion total interna. La al menos una abertura de salida optica se situa entre elementos reflectores adyacentes.
El panel solar segun se reivindica es tal que sustancialmente ninguna luz se acopla desde la etapa de gma de ondas optica a la etapa de insercion de luz a traves de la al menos una abertura de salida optica.
El panel solar es tal que la etapa de gma de ondas optica gma la luz hacia la superficie de salida a traves de una serie de reflexiones totales internas. El panel solar es tal que la superficie de entrada tiene un area de entrada de luz y la superficie de salida tiene un area de recoleccion de luz, el area de recoleccion de luz es menor que el area de entrada de luz.
El panel solar puede comprender un colector de energfa solar acoplado opticamente a la superficie de salida. El colector de energfa solar puede incluir al menos uno de una celda solar fotovoltaica y un colector de calor. El panel solar puede comprender ademas un prisma optico para acoplar opticamente la superficie de salida al colector de energfa solar.
El panel solar puede ser tal que la etapa de gma de ondas optica tenga al menos una interfaz de forma parabolica adyacente a la superficie de salida, la al menos una interfaz de forma parabolica concentra la luz sobre la superficie de salida. El panel solar puede comprender un elemento optico conico adyacente a la superficie de salida, el elemento optico conico separa el colector de energfa solar de la etapa de gma de ondas optica y concentra la luz sobre el colector de energfa solar. El elemento optico conico puede tener un mdice de refraccion diferente del de la etapa de gma de ondas optica.
El panel solar puede tener la etapa de gma de ondas optica que incluye una pluralidad de gmas de ondas, cada gma de ondas se acopla opticamente a una de la al menos una abertura de salida optica, cada gma de ondas recibe la luz desde una abertura de salida optica correspondiente y propaga la luz a lo largo de la gma de ondas en una direccion determinada al menos por los elementos opticos. Cada gma de ondas puede tener una superficie de salida de la gma de ondas, la superficie de salida de la etapa de gma de ondas comprende la superficie de salida de la gma de ondas de cada gma de ondas. Los elementos opticos pueden dirigir la luz para su propagacion en una sola direccion a lo largo de cada gma de ondas o en dos direcciones opuestas a lo largo de cada gma de ondas. Los elementos opticos pueden incluir un holograma de fase de volumen. Los elementos opticos pueden incluir una pluralidad de crestas prismaticas.
El panel solar puede ser tal que la etapa de insercion de luz pueda incluir una pluralidad de canales de luz conicos y la etapa de gma de ondas optica puede incluir una pluralidad de gmas de ondas, al menos uno de los canales de luz conicos se acopla opticamente a al menos una gma de ondas a traves de una de la al menos una abertura de salida
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optica, cada grna de ondas grna la luz a lo largo de la grna de ondas en una direccion de propagacion determinada al menos por los elementos opticos. La al menos una grna de ondas puede incluir gmas de onda de diferentes diametros. Los elementos opticos pueden incluir al menos uno de un holograma de fase de volumen y crestas prismaticas para impartir la direccion de propagacion a la luz. Los elementos opticos pueden incluir ademas al menos uno de reflectores parabolicos, reflectores cubicos, reflectores hiperbolicos, reflectores eKpticos, reflectores planos y reflectores redondos.
La etapa de insercion de luz se forma en una primera placa de material optico transmisivo y la etapa de grna de ondas optica se forma en una segunda placa de material optico transmisivo. La primera placa incluye la superficie de entrada y los elementos opticos, y tiene una superficie perfilada de salida opuesta a la superficie de entrada. La segunda placa incluye una superficie perfilada de entrada adyacente a la superficie perfilada de salida, donde la superficie perfilada de salida de la primera placa y la superficie perfilada de entrada de la segunda placa son complementarias entre sf y definen la al menos una abertura optica de salida.
El panel solar puede ser tal que la etapa de insercion de luz se forme en la primera y segunda capas de material optico transmisivo, y la etapa de grna de ondas optica se forme en una tercera capa de material optico transmisivo. La primera capa puede incluir la superficie de entrada y ademas incluir una primera superficie perfilada opuesta a la superficie de entrada. La segunda capa puede incluir una segunda superficie perfilada adyacente y complementaria a la primera superficie perfilada, incluyendo ademas la segunda capa una tercera superficie perfilada opuesta a la segunda superficie perfilada. La tercera capa puede incluir una cuarta superficie perfilada adyacente y complementaria a la tercera superficie perfilada, la tercera superficie perfilada y la cuarta superficie perfilada definen la al menos una abertura optica de salida.
El panel solar puede ser tal que la etapa de insercion de luz y la etapa de grna de ondas optica se formen en un mismo material optico transmisivo.
El panel solar puede ser tal que la etapa de insercion de luz tenga una primera seccion que tenga un primer conjunto de elementos opticos separados entre sf a lo largo de un primer conjunto de arcos de cfrculo sustancialmente concentricos y una segunda seccion que tenga un segundo conjunto de elementos opticos separados entre sf a lo largo de un segundo conjunto de arcos de cfrculo sustancialmente concentricos. El primer conjunto de elementos opticos puede dirigir una primera porcion de la luz en una primera direccion y el segundo conjunto de elementos opticos puede dirigir una segunda porcion de la luz en una segunda direccion distinta de la primera direccion. La segunda direccion puede oponerse a la primera direccion. La primera seccion de la etapa de insercion de luz puede tener al menos una abertura de salida optica de la primera seccion y la segunda seccion de la etapa de insercion de luz puede tener al menos una abertura de salida optica de la segunda seccion, la etapa de grna de ondas optica tiene una primera seccion acoplada opticamente a la al menos una abertura optica de la primera seccion y una segunda seccion opticamente acoplada a al menos una segunda abertura optica de la seccion.
En un aspecto adicional, que no es el objeto de las reivindicaciones de la patente, se proporciona un panel solar de grna de luz que comprende una etapa de insercion de luz que tiene una superficie de entrada para recibir luz, elementos opticos y al menos una abertura de salida optica, los elementos opticos entre la superficie de entrada y la al menos una abertura de salida optica se forman para dirigir la luz desde la superficie de entrada a al menos una abertura de salida optica; una etapa de grna de ondas optica que tiene una superficie de salida, la etapa de grna de ondas optica se acopla opticamente a al menos una abertura de salida optica para recibir la luz de la misma, la etapa de grna de ondas optica grna la luz hacia la superficie de salida; y una celda fotovoltaica acoplada opticamente a la superficie de salida.
En aun otro aspecto adicional, que no es el objeto de las reivindicaciones de la patente, se proporciona un metodo de fabricacion de un panel solar de grna de luz. El metodo comprende las etapas de formar una etapa de insercion de luz que tiene una superficie de entrada para recibir luz, elementos opticos y al menos una abertura de salida optica, los elementos opticos se disponen entre la superficie de entrada y la al menos una abertura de salida optica para dirigir la luz desde la superficie de entrada hasta al menos una abertura de salida optica; formar una etapa de grna de ondas optica que tiene una superficie de salida; y acoplar opticamente la etapa de grna de ondas optica a al menos una abertura de salida optica para recibir la luz de la misma, la etapa de grna de ondas optica grna la luz hacia la superficie de salida.
Otros aspectos y caractensticas de la presente invencion resultaran evidentes para los expertos en la tecnica al revisar la siguiente descripcion de modalidades espedficas de la invencion junto con las figuras adjuntas.
Breve descripcion de los dibujos
A continuacion se describiran modalidades de la presente invencion, solo a manera de ejemplo, con referencia a las figuras adjuntas, en donde:
La Figura 1 muestra una primera modalidad del panel solar de grna de luz de la presente invencion;
La Figura 2 muestra la modalidad de la Figura 1 con una pluralidad de rayos de luz enfocados por un unico reflector;
La Figura 3 muestra detalles de la modalidad de la Figura 1;
La figura 4 muestra una vista ampliada de la modalidad de la Figura 1;
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la presente invencion en el que se usan
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la presente invencion en el que se usan
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la presente invencion en el que se usan
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la presente invencion en el que se usan
La Figura 5 muestra el panel solar de gma de luz en el que los rayos de luz permanecen atrapados en una etapa de gma de ondas optica;
La Figura 6 muestra un panel solar de gma de luz en el que los rayos de luz se escapan de las etapas de gma de ondas optica;
La Figura 7 muestra una vista en perspectiva de una modalidad de geometna lineal del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 8A muestra una vista lateral de la modalidad de la Figura 7 con dos rayos de luz que se propagan en su interior;
La Figura 8B muestra una vista frontal de la modalidad de la Figura 7 con dos rayos de luz que se propagan en su interior;
La Figura 8C muestra una vista en perspectiva de la modalidad de la Figura 7 con dos rayos de luz que se propagan en su interior;
La Figura 9 muestra una vista en perspectiva de una modalidad de geometna giratoria del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 10 muestra una vista en perspectiva de una seccion rectangular de la modalidad de la Figura 9;
La Figura 11 muestra una vista en perspectiva de una seccion cortada de la modalidad de la Figura 9;
La Figura 12 muestra una porcion de una modalidad del panel solar de gma de luz de dos capas de la presente invencion;
La Figura 13 muestra una porcion de una modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion en la que se producen tres reflexiones en la etapa de insercion de luz;
La Figura 14 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de elementos opticos de Cassegrain en la etapa de gma de luz;
La Figura 15 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de elementos opticos del cono de Winston en la etapa de gma de luz;
La Figura 16 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de elementos opticos del cono Winston en la etapa de gma de ondas optica;
La Figura 17 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de elementos opticos del medio cono de Winston en la etapa de gma de ondas optica;
La Figura 18 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion en el que se usa un elemento de concentracion de cara plana en la etapa de gma de ondas optica;
La Figura 19 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion en el que estan presentes multiples superficies de salida en la etapa de gma de ondas optica;
La Figura 20 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion en el que una capa de revestimiento rodea el panel;
La Figura 21 muestra una modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion fabricado ensamblando los cortes uno al lado del otro;
La Figura 22A muestra una vista en perspectiva de una modalidad de tres capas del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 22B muestra una vista despiezada de la modalidad de la Figura 22A;
La Figura 22C muestra una vista lateral de la modalidad de la Figura 22A;
La Figura 22D muestra una vista ampliada de la Figura 22C;
La Figura 23A muestra una vista en perspectiva de una modalidad de dos capas del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 23B muestra una vista despiezada de la modalidad de la Figura 23A;
La Figura 23C muestra una vista ampliada de la modalidad de la Figura 23A;
La Figura 24A muestra una vista ampliada de una modalidad del panel de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 24B muestra una vista ampliada de una modalidad del panel de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 24C muestra detalles geometricos de la modalidad de las Figuras 24B y 33D;
La Figura 25A muestra una vista en perspectiva de una modalidad de dos capas del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 25B muestra una vista despiezada de la modalidad de la Figura 25A;
La Figura 25C muestra una vista ampliada de la modalidad de la figura 25A;
La Figura 26 muestra una vista ampliada de una modalidad del panel de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 27 muestra un ensamble de diez modalidades de paneles solares de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 28 muestra un panel solar de gma de luz de la presente invencion montado sostenido entre refuerzos;
La Figura 29 muestra un disipador de calor;
La Figura 30 muestra el conjunto de celdas fotovoltaicas;
La Figura 31 muestra detalles de un mecanismo de seguimiento solar de un solo eje;
La Figura 32A muestra una vista en perspectiva de una modalidad de geometna giratoria del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 32B muestra una vista superior de la modalidad de la Figura 32A;
La Figura 33A muestra un prisma;
La Figura 33B muestra una vista en perspectiva de una modalidad de geometna giratoria del panel solar de gma de luz de la presente invencion con el prisma de la Figura 33A;
La Figura 33C muestra una vista superior de la modalidad de la Figura 33A;
La Figura 33D muestra una vista en perspectiva de un montaje de secciones de paneles solares de gma de luz;
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La Figura 33E muestra una vista lateral del montaje de la figura 33D;
La Figura 33F muestra una vista despiezada del montaje de la Figura 33E;
La Figura 33G muestra detalles de la etapa de insercion de luz y la etapa de gma de ondas optica de la modalidad de la Figura 33D;
La Figura 34 muestra un mecanismo de seguimiento solar de doble eje;
La Figura 35 muestra otro mecanismo de seguimiento solar de doble eje;
La Figura 36 muestra otro mecanismo de seguimiento solar de doble eje;
La Figura 37 muestra otra modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 38 muestra otra modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 39 muestra varias modalidades de paneles solares de gma de luz que tienen diferentes angulos de aceptacion de luz;
La Figura 40 muestra otra modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 41A es una vista en perspectiva de otra modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 41B es una vista detallada de la modalidad de la figura 41A;
La Figura 42A muestra un holograma sobre un sustrato de vidrio;
La Figura 42B muestra una vista en seccion transversal detallada de la modalidad de la Figura 41A;
La Figura 42C muestra una vista en perspectiva de la vista detallada de la Figura 42B;
La Figura 43 muestra una capa de desviacion fabricada de crestas prismaticas;
La Figura 44A muestra una vista en seccion transversal de un elemento de una modalidad del panel solar de gma de luz de la presente invencion;
La Figura 44B muestra una vista superior de la modalidad de la Figura 44A;
La Figura 44C muestra una vista lateral de la modalidad de la Figura 44A;
La Figura 45A muestra una vista en perspectiva de un disipador de calor;
La Figura 45B muestra una vista en seccion transversal del disipador de calor de la Figura 45A;
La Figura 46 muestra un montaje del seguimiento de un solo eje del panel solar;
La Figura 47 muestra un montaje del seguimiento de un solo eje termico solar;
La Figura 48 muestra una modalidad de panel solar de mdice de gradiente;
La Figura 49 muestra otra modalidad de panel solar de mdice de gradiente; y
La Figura 50 muestra un montaje de los paneles solares mostrados en las Figuras 33D-33F.
Descripcion Detallada
Generalmente, la presente invencion proporciona un sistema de energfa solar que usa un panel solar de gma de luz (LGSP) para atrapar la luz dentro de un dielectrico u otro panel transparente y propaga la luz a uno de los bordes del panel para colectarse mediante un colector de energfa solar (SEC). Esto permite modulos muy delgados cuyo grosor es comparable a la altura del SEC, que puede ser, por ejemplo, una celda Pv, en el borde del modulo, eliminando asf los requerimientos de profundidad inherentes en sistemas de energfa solar tradicionales tales como sistemas de CPV. La luz que golpea al LGSP se redirige y atrapa internamente para que salga del panel a traves de uno de sus bordes donde un SEC lo recibe.
Los LGSP de la presente invencion pueden combinarse en clusteres para hacer los modulos. Los elementos opticos del LGSP pueden disenarse estructuralmente para ser en gran parte autosoportados, lo que significa que no requieren ningun recinto externo sustancial para mantener su forma y orientacion. Se puede agregar un recinto completo al LGSP. Como se describira a continuacion, para minimizar el uso y el costo de los materiales, los modulos del LGSP pueden soportarse por una configuracion de eje y refuerzo.
La luz solar concentrada puede aprovecharse para un proposito que no sea la creacion de electricidad con celdas (PV). Un uso alternativo es el calentamiento de un elemento. Los modulos tambien pueden configurarse para calentar agua mientras generan electricidad simultaneamente. Tambien puede acoplarse la luz concentrada en una fibra optica u otra gma de luz para propagarla a otro lugar para algun otro uso, tal como un dispositivo de iluminacion para proporcionar iluminacion solar.
Las Figuras 1 y 2 muestran una vista en seccion transversal de una primera modalidad de un LGSP 100 de la presente invencion. El panel 100 tiene una etapa 102 de insercion de luz y una etapa de gma de ondas optica 104, que puede fabricarse de cualquier material optico transmisivo adecuado. La etapa de insercion de luz 102 recibe la luz solar 106 en su superficie de entrada 108 y desde allf, la luz solar 106 es guiada hacia elementos opticos tales como, por ejemplo, una serie de reflectores 110. Los reflectores 110 se definen por las interfaces 112 entre el material optico transmisivo de la etapa de insercion de luz 102 y las areas 114 que componen el material. El angulo en el que se situan las interfaces 112 con respecto a la luz solar incidente 106 y la relacion del mdice de refraccion del material optico transmisivo de la etapa de insercion de la luz 102 al mdice de refraccion del material de las areas 114, se eligen de manera que la luz solar 106 incidente sobre las interfaces 112 pasa por la reflexion total interna. Normalmente, el material 114 es aire o cualquier otro gas adecuado; sin embargo, cualquier otro material adecuado puede constituir tambien el material 114. Los materiales de la etapa de insercion de luz 102 y de la etapa de gma de ondas optica 104 pueden incluir, por ejemplo, cualquier tipo de polfmero o vidrio acnlico tal como poli (metilmetacrilato) (PMMA), que tiene un mdice de refraccion de aproximadamente 1.49 para la parte visible del espectro optico. Tambien puede usarse cualquier otro material adecuado. El angulo en el que se situan las interfaces 112 con respecto a la luz solar incidente 106 vana desde
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el angulo cntico hasta 90°, medido a partir de la normal superficial de la interfaz 112 (por ejemplo, para una interfaz de aire PMMA, el angulo esta comprendido sustancialmente entre aproximadamente 42.5° y 90°).
Los reflectores 110 se configuran como reflectores parabolicos; sin embargo, pueden tener cualquier otra forma adecuada. Si la separacion entre los reflectores es "A" y el origen del sistema de coordenadas es una abertura 116, entonces una ecuacion ilustrativa de la parabola correspondiente es y = (1/2A)x2-1/4. Como se muestra en la Figura 1, cada reflector 110 dirige la luz solar 106 hacia una abertura optica de salida respectiva 116 enfocando la luz solar 106 en la abertura optica de salida 116. La Figura 2 muestra el enfoque de la luz solar 106 por un mismo reflector 110. La luz solar 106 enfocada de este modo entra en la etapa de grna de ondas optica 104 , que incluye una pared 118 hacia la que se propaga la luz solar 106. La pared 118 tiene una primera superficie 120 entre el material optico transmisivo de la etapa de grna de ondas optica 104 y el material 122, que se situa en el otro lado de la pared 118. El angulo en el cual la interfaz 118 puede situarse con respecto a la horizontal esta en el intervalo de 1-5 °; sin embargo, cualquier otro angulo adecuado tambien funcionara. La orientacion de la pared 118 con respecto a la luz solar 106 procedente de las aberturas 116 y la relacion del mdice de refraccion del material optico transmisivo de la etapa de grna de ondas optica 104 al mdice de refraccion del material 122, se eligen de manera que la luz solar 106 incidente sobre la primera superficie 120 pasa por la reflexion total interna. El material 122 puede ser aire o cualquier otro gas adecuado; sin embargo, cualquier otro material que tenga un mdice de refraccion inferior al de la etapa de grna de ondas optica 104 puede constituir tambien el material 122. En cuanto a los materiales de la etapa de insercion de luz 102 y de la etapa de grna de ondas optica 104, estos pueden incluir, por ejemplo, cualquier tipo de polfmero o vidrio acnlico tal como PMMA. Tambien puede usarse cualquier otro material adecuado.
Una vez que la luz solar 106 se refleja totalmente internamente en la primera superficie 120, esta se propaga en la etapa de grna de ondas optica 104 hacia una serie de elementos reflectantes 124 que reflejan la luz solar 106 hacia la primera superficie 120 donde la luz solar 106 pasa de nuevo por la reflexion total interna. Como se muestra en la Figura 3, cada elemento reflectante 124 se define por una interfaz 126 entre el material optico transmisivo de la etapa de grna de ondas optica 104 y el area de formacion de materiales 128, que puede ser el mismo material que el de las areas 114. La orientacion de los elementos reflectantes 124 con respecto a la luz solar 106 procedente de la primera superficie 120 y la relacion del mdice de refraccion del material optico transmisivo de la etapa de grna de ondas optica 104 al mdice de refraccion del material 128, se eligen de manera que la luz solar 106 que incide contra los elementos reflectantes 124 pasa por la reflexion total interna.
Como se muestra en las modalidades ilustrativas de las Figuras 1-3, cada elemento reflectante 124 es plano y se encuentra en un angulo no paralelo (por ejemplo, 1-5°) a la superficie de entrada 108. Ademas, cada elemento reflectante 124 se encuentra a una distancia sustancialmente igual de la superficie de entrada 108 y es sustancialmente paralelo a la primera superficie 120. Como tal, la etapa de grna de ondas optica 104 , como se muestra en las Figuras 13, tiene generalmente la forma de una cuna que actua para propagar la luz solar 106 se introducida en la etapa de grna de ondas optica 104 a traves de las aberturas opticas de salida 116 en la direccion en la que se ensancha la cuna, que se denomina direccion aguas abajo. Por lo tanto, la etapa de grna de ondas optica 104 es tal que despues de varias reflexiones totales internas sucesivas en la primera superficie 120 y en los elementos reflectantes 124, la luz solar 106 alcanza una superficie de salida 130 (Figuras 1 y 2), que es parte de una pared lateral 132, donde puede disponerse un SEC (no mostrada) de cualquier tipo adecuado para recoger la energfa transportada por la luz solar 106.
Las Figuras 1 y 2 muestran la pared lateral 132 que no es perpendicular a la superficie de entrada 108; sin embargo, la pared lateral 132 puede permanecer a cualquier angulo adecuado desde la superficie de entrada 108. Ademas, como comprendera el experto en la tecnica, el LGSp 100 puede tener cualquier numero adecuado de elementos reflectantes 124 y cualquier numero adecuado de aberturas opticas de salida 116.
La Figura 3 muestra la modalidad en la que cada elemento reflectante 114 es paralelo a la pared 118. En esta modalidad, el angulo de incidencia permanece constante a medida que un rayo de luz solar 106 se propaga en la direccion aguas abajo.
La figura 4 muestra que los elementos reflectantes 124 pueden formarse de manera que la luz solar 106 procedente de la primera superficie 120 (Figura 1) y que se propaga hacia la etapa de insercion de luz 102 se refleje fuera de un elemento reflectante 124 y no incida sobre una salida optica 116.
La Figura 5 muestra otra modalidad de la presente invencion en la que el angulo entre la pared 118 y los elementos reflectantes 124 no es paralelo pero se abre en la direccion aguas abajo. En esta modalidad, puede mostrarse que la luz solar 106 permanecera atrapada en la etapa de grna de ondas optica 104. La Figura 6 muestra una modalidad en la que el angulo entre la pared 118 y los elementos reflectantes se cierra en la direccion aguas abajo. En esta modalidad, puede mostrarse que la luz solar 106 se transmite eventualmente fuera de la etapa de grna de ondas optica 104.
La Figura 7 muestra una vista en perspectiva de un LGSP 100 que puede tener la seccion transversal mostrada en la Figura 1. El LGSP 100 de la Figura 7 concentra la luz solar 106 sobre la pared lateral 132. La modalidad del LGSP 100 de la Figura 7 puede referirse como que tiene una geometna lineal ya que los reflectores 110 se encuentran todos a lo largo de las lmeas paralelas.
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El rendimiento del LGSP 100 de la Figura 7 es sustancialmente invariante a los cambios en el angulo de incidencia de la luz solar 106 en el plano definido por los ejes X e Y. Esta invariancia se muestra en las Figuras 8A a 8C, donde los rayos 134 y 136, incidentes sobre la superficie de entrada 108 a 30° y 45° respectivamente, se dirigen hacia la etapa de gma de ondas optica 104 mediante la etapa de insercion de luz 102, y se propagan aguas abajo en la etapa de gma de ondas optica 104 hacia la superficie de salida 130. Debido a esta invariancia al angulo de incidencia en el plano XY, el LGSP 100 de la Figura 7 puede usarse junto con cualquier seguidor solar de eje unico adecuado para concentrar eficazmente la luz solar 106 a un borde del panel, es decir, a la superficie de salida 130. Como comprendera el experto en la tecnica, un seguidor de un solo eje mantiene el panel en una alineacion constante con el sol para maximizar la cantidad de luz solar capturada por el LGSP 100.
La Figura 9 muestra una vista en perspectiva de otro LGSP 100 que puede tener la seccion transversal mostrada en la Figura 1. El LGSP 100 de la Figura 9 se conforma sustancialmente como un disco 138 y concentra la luz solar sobre una pared interior 140 formada en la region del centro del disco 138, la pared interior 140 actua como una superficie de salida 142 que puede acoplarse opticamente, por cualquier medio adecuado, a cualquier SEC adecuado. Ejemplos de como puede acoplarse la luz solar 106 a un SEC se discuten a continuacion. La modalidad del LGSP 100 de la Figura 9 puede referirse como que tiene una geometna giratoria puesto que los reflectores 110 se encuentran en drculos concentricos. Los SEC incluyen, por ejemplo, detectores fotovoltaicos, celdas solares, colectores de fibra optica que recogen la luz solar incidente y la transmiten por fibras opticas al interior de un edificio para su uso en dispositivos de iluminacion y colectores termicos tales como para calentar agua o cualquiera de sus combinaciones.
El LGSP 100 de la Figura 9 puede seccionarse en paneles rectangulares, como se muestra en la Figura 10, o en cortes angulares, como se muestra en la Figura 11, o en cualquier otra forma adecuada, para adaptarse a cualquier soporte de montaje o estructura conveniente (no mostrada).
Como comprendera el experto en la tecnica, los LGSP 100 mostrados en las Figuras 7-11 pueden montarse en cualquier tipo adecuado de sistemas de seguimiento solar tales como, por ejemplo, sistemas de seguimiento de un solo eje y sistemas de seguimiento de doble eje. Para los LGSP 100 de las Figuras 7-11, los compromisos de diseno pueden hacerse entre la concentracion y la aceptacion de luz solar angular, que a su vez determinan la alineacion requerida y la precision de seguimiento. El LGSP 100 de la Figura 7 puede lograr, por ejemplo, concentraciones de 20-50 soles y requiere un seguimiento solar de un solo eje de aproximadamente 1°. El LGSP 100 de la Figura 10 puede lograr, por ejemplo, concentraciones de aproximadamente 500-1000 soles y requiere un seguimiento de doble eje de aproximadamente 1°. Teniendo una region de cubo mas grande en el centro del LGSP 100 de la Figura 10, es decir, teniendo una abertura mas grande en el centro del LGSP 100, producira menos concentracion que si la region de cubo fuera menory requiriera un seguimiento menos preciso.
Tal como comprendera el experto en la tecnica, la relacion del ancho de la abertura de salida optica 116 con el tramo horizontal del reflector 110 determinara la concentracion. Si la relacion se hace muy pequena, de tal manera que la abertura de salida optica 116 sea extremadamente estrecha, entonces la concentracion puede hacerse muy alta, sin embargo la aceptacion angular sera muy pequena. La relacion entre el ancho de 116 y el tramo horizontal de 110 tambien afecta el angulo de la primera superficie 120, ya que una abertura mas estrecha permite que el angulo entre las superficies 118 y 108 sea menor, tal como, por ejemplo, 1°. Esto a su vez puede conducir a una pared lateral 132 mas pequena, y por lo tanto a un SEC mas pequeno.
Para fines de fabricacion, la etapa de insercion de luz 102 y la etapa de gma de ondas optica 104 , para el LGSP 100 de, por ejemplo, las Figuras 7 y 10, forman capas distintas como se muestra en la Figura 12. Esto crea una cara de salida 144 en la etapa de insercion de luz 102 y una cara de inyeccion 146 en la etapa de gma de ondas optica 104. La cara de salida 144 y la cara de inyeccion 146 no necesitan ser paralelas o planas. La cara de salida 144 y la cara de inyeccion 146 forman parte de la abertura de salida optica 116.
La Figura 13 muestra una seccion transversal de una modalidad de un LGSP que no forma parte de la presente invencion. En la modalidad de la Figura 13, la luz solar 106 rebota de un primer reflector 148, un segundo reflector 150 y un tercer reflector 152 antes de ser introducida en la etapa de gma de ondas optica 104 en la abertura optica de salida 116. El primer, segundo y tercer reflectores son elementos opticos y pueden tener cualquier forma adecuada tal como, por ejemplo, superficies planas, parabolicas, hiperbolicas, elfpticas y redondas.
Ademas, en la etapa de insercion de luz 102 pueden incluirse tambien elementos opticos adecuados tales como, por ejemplo, lentes, lentes Fresnel, canales parabolicos, elementos opticos de Cassegrain, conos de Winston y prismas conicos. Los elementos opticos solo necesitan ser capaces de suministrar la luz solar 106 a las aberturas opticas de salida 116 en la direccion general aguas abajo de la etapa de gma de ondas optica. La etapa de gma de ondas optica 104 puede ser independiente de la modalidad de la etapa de insercion de luz 102, es decir, puede usarse una misma etapa de gma de ondas optica 104 para diferentes modalidades de la etapa de insercion de luz 102.
La Figura 14 muestra una modalidad que no forma parte de la invencion de la etapa de insercion de luz 102 que tiene un diseno optico Cassegrain. En esta modalidad, un espejo primario parabolico 154 y un espejo secundario hiperbolico 156 se usan para enfocar y dirigir la luz solar 106 en un reflector plano 158. La luz solar 106 se refleja fuera del reflector
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158 y entra en la etapa de grna de ondas optica 104 en la cara de inyeccion 160, que actua como una abertura de salida optica de la etapa de insercion de luz 102. La modalidad de la Figura 14 puede usarse en un LGSP de geometna lineal o giratoria. Los elementos opticos de Cassegrain de la Figura 14 requiere superficies reflejadas en los espejos primarios y secundarios (154 y 156 respectivamente), asf como en el reflector plano 158.
La Figura 15 muestra una etapa de insercion de luz 102 que no forma parte de la invencion que tiene una serie de conos de Winston 162 definidos por las interfaces 164A y 164B que se encuentran entre el material optico transmisivo de la etapa de insercion de luz 102 y el material 166 que puede ser aire o cualquier otro gas adecuado; sin embargo, cualquier otro material adecuado puede constituir tambien el material 166. La geometna de las interfaces 164 con respecto a la luz solar incidente 106 y la relacion del mdice de refraccion del material optico transmisivo de la etapa de insercion de luz 102 con la del mdice de refraccion del material 166, se eligen de manera que la luz solar 106 que choca en las interfaces 164 pasa por la reflexion total interna. Para un cono dado 162 definido por las interfaces 164A y 164B, la luz solar 106 que choca con la interfaz 164A se refleja hacia un reflector 168, que a su vez dirige la luz solar 106 hacia la abertura de salida optica 116. En cuanto a la luz solar 106 que choca con la interfaz 164B, en dependencia de donde se refleje en la interfaz 164B, se reflejara directamente a la abertura de salida optica 116 o al reflector 168, que lo reflejara hacia la abertura de salida optica 116. En cuanto a la luz solar 106 que choca directamente con el reflector 168, esta se dirige tambien a la abertura optica de salida 116. Despues de haber entrado en la etapa de grna de ondas optica 104 a traves de la abertura de salida optica 116, la luz solar 106 puede incidir sobre la primera superficie 120 o sobre el elemento reflectante 124, de cualquier manera, la luz solar 106 experimenta una reflexion total interna y se propaga en la direccion aguas abajo. El reflector 168 puede tener cualquier geometna adecuada tal como, por ejemplo, una geometna redondeada, y puede incluir cualquier tipo adecuado de recubrimiento espejado. La etapa de insercion de luz 102 de la Figura 15 puede usarse en un LGSP de geometna lineal o giratoria. La capa 102 de insercion de luz de la Figura 15 puede usarse en paneles solares sin seguimiento debido a su angulo de aceptacion de luz solar relativamente amplio.
En las modalidades descritas anteriormente, puede obtenerse una concentracion incrementada reduciendo la altura de la etapa de grna de ondas optica 104 adyacente a la abertura optica de salida de la etapa de grna de ondas optica. Como se describe en las modalidades anteriores, la etapa de grna de ondas optica 104 propaga la luz solar 106 por reflexion total interna de la luz solar. Generalmente, si la etapa de la grna de ondas optica se estrecha o converge a favor de la corriente como se muestra en la Figura 6, la luz solar escapara de la etapa de grna de ondas optica. Sin embargo, esta limitacion no se aplica a la ultima reflexion dentro de la etapa de grna de ondas optica ya que en este punto, la luz solar esta a punto de salir de la etapa de grna de ondas optica 104. Inmediatamente antes de la recoleccion de la luz solar por un SEC, la luz solar puede reflejarse en cualquier angulo adecuado siempre que alcance todavfa la abertura de salida optica de la etapa de grna de ondas optica. Debido a que el SEC recolecta la luz solar, el angulo de incidencia de la luz importa menos y, como tal, la luz puede concentrarse aun mas, inmediatamente antes de ser colectada. La concentracion adicional que puede lograrse de este modo depende de la dispersion angular de la luz solar 106 dentro de la etapa de grna de ondas optica 104, donde se logra mas concentracion cuanto mas colimada este la luz dentro de la capa de grna de luz. En modalidades tfpicas, la concentracion extra puede variar, por ejemplo, entre 1.5 veces y 2 veces.
La forma mas sencilla de anadir esta concentracion adicional es estrechar la capa de grna de luz cerca del SEC. Una buena conicidad para la concentracion es un cono de Winston, que es un paraboloide fuera del eje, cuyo ejemplo se muestra con el numero de referencia 170 en la Figura 16. Sin embargo, la inclusion de un cono de Winston 170 introduce un espacio muerto (definido como una superficie del LGSP expuesta a la luz solar que no captura y transmite luz al SEC) en el LGSP 100 porque la luz incidente en el cono Winston desde arriba no se captura sustancialmente. Este espacio muerto conduce a reducciones en la eficiencia general del sistema en el uso del espacio para convertir la energfa solar en energfa util.
Puede lograrse un compromiso entre concentracion extra y espacio muerto usando un medio cono de Winston 172 mostrado en la Figura 17. Como otra alternativa, puede usarse un cono de cara plana 174, como se muestra en la Figura 18, que se aproxime al efecto de un cono Winston. Sin embargo, el cono de cara plana no proporciona la misma concentracion adicional que puede proporcionarse por un cono de Winston. A pesar de este hecho, y debido a que los elementos planos son mas faciles de fabricar que los elementos curvos, la aproximacion mostrada en la Figura 18 puede ser interesante.
La concentracion incrementada descrita anteriormente puede lograrse usando un elemento optico separado, un punto de pellizco, que se fabrica de un material optico transmisivo y puede asegurarse entre la etapa de grna de ondas optica y el SEC (no se muestra). Dicho punto de pellizco se muestra con el numero de referencia 176 en la Figura 18. Si el mdice de refraccion del punto de pellizco 176 es mayor que el de la etapa de la grna de ondas optica, entonces puede obtenerse otra concentracion adicional. La concentracion adicional ocurre porque la deflexion de la luz solar ocurre en la interfaz 180 entre la etapa de la grna de ondas optica y el punto de pellizco 176, y porque el angulo cntico con un material de alto mdice (pellizco 176) es menor.
Una ventaja de colocar un elemento optico tal como, por ejemplo, un punto de pellizco 176, entre la etapa de grna de ondas optica y el SEC es que puede aislar la etapa de grna de ondas optica contra la acumulacion de calor en el SEC.
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Esto se hace importante si el SEC se vuelve mas caliente que lo que puede soportar el material del que se hace la etapa de gma de ondas optica durante la operacion en el peor de los casos.
Otra modalidad del LGSP 100 de la presente invencion se muestra en la Figura 19. Esta modalidad permite que la etapa de gma de ondas optica 104 proporcione luz solar a una serie de SEC aseguradas a una serie de paredes 182 definidas por la etapa de gma de ondas optica 104. Como comprendera el experto en la tecnica, el uso de la pluralidad de paredes 182 hace una etapa de gma de ondas optica 104 mas delgada.
Para proteger la superficie de entrada 108 de la etapa de insercion de luz 102 y la primera superficie 120 de la etapa de gma de ondas optica 104, puede aplicarse una capa de revestimiento 184, mostrada en la Figura 20, a la superficie de entrada y/o a la primera superficie. La capa de revestimiento puede tener un mdice de refraccion inferior al mdice de refraccion de la etapa de insercion de luz e inferior al de la etapa de gma de ondas optica. Ademas, la capa de revestimiento 184 tambien puede aplicarse a todos los espacios dentro del LGSP 100 que habitualmente se ocupan por aire o gas.
La ventaja de tener dicha capa de revestimiento 184 es que puede proteger la integridad del LGSP. Con tal capa de revestimiento 184 presente, la superficie externa del revestimiento puede ensuciarse o rayarse sin comprometer la funcion del LGSP. La capa de revestimiento 184 puede fabricarse de cualquier material adecuado tal como, por ejemplo, etileno propileno fluorado. Como comprendera el especialista, el grosor de la capa de revestimiento puede ser relativamente delgado y seguir siendo efectivo.
Las modalidades del LGSP presentadas anteriormente son escalables. Es decir, sus dimensiones pueden cambiar por un factor comun sin afectar el funcionamiento de los elementos opticos, siempre y cuando los elementos opticos no sean tan pequenos que dominen los efectos de interferencia. Tales efectos de interferencia pueden llegar a ser importantes cuando la separacion entre los elementos opticos escalonados esta en una escala comparable a las longitudes de onda opticas. La porcion de longitud de onda mas energetica del espectro solar esta entre 0.2 micras y 3 micras. En consecuencia, el penodo de escalonamiento de los elementos opticos y las aberturas, asf como tambien el tamano de las aberturas, pueden mantenerse mayores de 3 micras para mitigar los efectos de interferencia.
Para usar un mmimo de material y mantener bajos los costos, es conveniente hacer que los elementos opticos sean pequenos para minimizar el grosor de los LGSP y permitir una cobertura de area maxima con material mmimo. El grosor de la etapa de gma de ondas optica (capa de gma de luz) se limitara en gran medida por el tamano de los SEC (por ejemplo, el tamano de las franjas de celdas PV) dispuestas para recoger la luz solar. En el caso de las franjas de celdas PV, su tamano puede variar, por ejemplo, de 1 milfmetro a 1 centimetro, aunque las celdas PV mas grandes o mas pequenas funcionaran igualmente bien. Por otro lado, la etapa de insercion de la luz (capa de insercion) puede hacerse tan delgada como puedan permitir los efectos de interferencia y los metodos de fabricacion.
Los LGSP de la presente invencion pueden fabricarse mediante tecnicas de moldeo tales como moldeo por inyeccion, moldeo por compresion, moldeo por inyeccion-compresion o por cualquier otro metodo adecuado. Generalmente, las piezas fabricadas por moldeo no pueden tener cortes inferiores, y como tal no se pueden moldear todos los paneles de gma de luz descritos anteriormente de una vez usando el moldeo convencional. Sin embargo, el LGSP puede fabricarse dividiendolo en secciones que pueden moldearse individualmente. A continuacion se describen dos enfoques ilustrativos para seccionar un LGSP con fines de fabricacion.
Una primera aproximacion, que no forma parte de la presente invencion, es fabricar secciones verticales finas, o cortes, del LGSP y ensamblarlas lado a lado como se muestra en la Figura 21. Los cortes separados 190 del panel pueden mantenerse juntos mediante un refuerzo externo (no mostrado), o pueden pegarse o unirse de cualquier otra manera entre sf Este primer enfoque (enfoque de corte) es adecuado para los LGSP de geometna lineal.
Una segunda aproximacion es fabricar placas horizontales que se pueden apilar una encima de la otra para hacer un LGSP. Estos paneles pueden autosoportarse, requiriendo poco en cuando a la manera en la que se enmarcan y se alojan, y esto puede ser de tal manera que no es necesario el pegado o la adhesion. Las placas constituyen las capas funcionales anteriormente descritas (etapa de insercion de luz y etapa de gma de ondas optica); sin embargo, una capa funcional dada puede estar formada por cualquier numero de placas.
Las Figuras 22A-22D muestran una manera de dividir el LGSP 100 en tres laminas sin cortes inferiores. Las dos laminas superiores 192 y 194 actuan conjuntamente para formar la capa de insercion (etapa de insercion de luz 102), y la lamina inferior 196 forma la capa de gma de luz (etapa de gma de ondas optica 104). La modalidad mostrada en las Figuras 22A-22D es similar a la mostrada en la Figura 13. En la placa superior 192, la luz solar 106 se refleja por reflexion total interna (TIR) de un reflector parabolico, entonces sale de la placa superior 192 y entra en la placa central 194, luego se refleja por TIR de dos caras planas antes de salir de la placa central 194 y entrar en la placa inferior 196, que actua como capa de gma de luz (etapa de gma de ondas optica 104).
Las Figuras 23A-23C muestran otra division potencial del LGSP 100 en dos placas 198 y 200. La capa de insercion y la capa de gma de luz se hacen con una placa cada una, placas 198 y 200 respectivamente. Como se muestra en la Figura 24A, la luz solar 106 se refleja totalmente internamente en una superficie parabolica 202 y luego sale a traves de
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una cara plana (superficie de salida) 204 al aire antes de encontrar una cara de inyeccion 206 de la capa de gma de luz (etapa de gma de ondas optica). La deflexion en la superficie de salida 204 de la placa de la capa de insercion altera el punto focal del reflector parabolico; mueve el punto focal ligeramente contra la corriente, lo que a su vez requiere mover las aberturas de la capa de gma de luz contra la corriente. Existe una ventaja del ligero desplazamiento del punto focal: permite el empaquetamiento apretado de las caras del reflector parabolico con muy poco espacio muerto entre ellas. Sin embargo, una desventaja de usar la deflexion en lugar de solo la reflexion para concentrar la luz solar es que la modalidad resultante no funcionara optimamente bajo un seguimiento de luz solar de un solo eje. Como tal, la aproximacion de dos placas de la Figura 24A es adecuada para una geometna giratoria del LGSP. Esto se debe a que esta modalidad requiere, para un rendimiento optimo, un seguimiento de dos ejes en cualquier caso. El desplazamiento del foco por una cara plana introduce un pequeno astigmatismo en los elementos opticos parabolicos de enfoque. Esto extiende ligeramente la luz 106 del sol en el foco y limita, en un pequeno grado, la concentracion alcanzable. Se puede compensar un poco el astigmatismo inclinando ligeramente la parabola. Si la cara plana 204 se inclina 2° en sentido contrario de las manecillas del reloj desde la vertical, entonces inclinando el reflector parabolico 110 en 5° en el sentido de las manecillas del reloj desde la vertical puede compensar algo el astigmatismo. La Figura 24B muestra otra modalidad de un panel solar de gma de luz similar al de la Figura 24A, pero en su lugar con una superficie cubica 203 que colinda con la proyeccion 207 formada por la cara de inyeccion 206.
La Figura 24C muestra dimensiones ilustrativas para la unidad periodica de la etapa de insercion de luz de la Figura 24B, la unidad en cuestion comprende el reflector cubico 203, la cara plana 204, la cara de inyeccion 206 y la proyeccion 207. Las longitudes estan en micrones y la ecuacion del reflector cubico 203 es y=- 1.049388x+9.1781775x10"4x2+1.19193x10"7x3.
Las Figuras 25A-25C muestran aun otra division del LGSP 100 en dos placas 208 y 210 lo que mejora la limitacion de la modalidad de la Figura 24A con respecto al seguimiento de eje unico no optimo y permite la fabricacion de un LGSP de geometna lineal que no usa la deflexion para concentrar la luz del sol. Como se muestra en la Figura 26, la luz solar 106 se refleja totalmente internamente fuera del reflector parabolico 212, pero en esta modalidad sale de la placa de la capa de insercion por una cara de salida 214 que es el arco de un cfrculo centrado en el foco del reflector parabolico 212. Los rayos de luz solar que convergen en el foco del reflector parabolico encuentran cada uno la cara de salida del arco en un angulo sustancialmente recto, y por lotanto no ocurre la deflexion.
Todas las placas antes mencionadas pueden moldearse con caractensticas de montaje que facilitan la alineacion entre ellas cuando se ensamblan en los LGSP. Las caractensticas de montaje pueden tener una interferencia minima o nula con el rendimiento optico. En particular, las modalidades del LGSP de la presente invencion pueden disenarse de manera que la parte posterior de las aberturas contra la corriente se apoya contra la parte inferior de los reflectores parabolicos; esta es la modalidad mostrada en la Figura 25C. Otras caractensticas del montaje pueden incluir pequenos salientes, dispersos sobre la superficie de la capa de gma de luz, que mantienen los reflectores parabolicos en su lugar con respecto a la etapa de gma de ondas optica 104. El espacio entre las placas debe estar sustancialmente libre de polvo y humedad. Las placas pueden sellarse entre sf usando silicona o cualquier otro material adecuado, o usando una junta o cualquier otro sello adecuado. Puede anadirse una pequena cantidad de desecante entre las placas para absorber la humedad. Puede anadirse una cubierta contra el polvo o envoltura completa al LGSP para mantenerlo limpio y permitir la correspondencia de colores con la arquitectura.
En la Figura 27 se muestra un sistema 216 de paneles solares de seguimiento de un solo eje. El sistema 216 de paneles solares puede usar los LGSPs 100 fabricados usando la aproximacion de dos placas descritas anteriormente, y puede montarse para inclinarse alrededor del eje 218. Los LGSPs 100 pueden hacerse cuadrados, 125 milfmetros de cada lado. La capa de gma de luz (etapa de gma de ondas optica) puede usar un medio Cono de Winston para concentrar la luz en celdas PV de 3 mm de altura. La concentracion optica de tal sistema es de aproximadamente 30 soles.
El sistema 216 se forma usando varios paneles solares 100, por ejemplo 10, dispuestos en dos filas paralelas a cada lado de un disipador de calor 220, que puede fabricarse de aluminio o de cualquier otro material adecuado, y de tal manera que concentren la luz hacia el borde interior de los paneles donde se conectan al disipador de calor 220. Las celdas PV se colocan entre los paneles opticos 100 y el disipador de calor 220.
Los paneles solares 100 pueden mantenerse alineados, por ejemplo, por los refuerzos 222 que se muestran en la Figura 28. Los refuerzos pueden fabricarse de un polfmero moldeado por inyeccion, aunque puede usarse aluminio mecanizado o cualquier otro material. Los refuerzos 222 mantienen mecanicamente los paneles 100 en posicion contra el disipador de calor 220 y pueden incluirse caractensticas en ambos nervios 222 y el disipador de calor 220 para facilitar el montaje. Dichas caractensticas (por ejemplo, la cavidad 224) y detalles del refuerzo 222 y del disipador de calor 220 se muestran en las Figuras 28 y 29, respectivamente. Los refuerzos 222 pueden mantenerse en su sitio contra el disipador de calor usando sujetadores mecanicos, adhesivos, o cualquier otro medio adecuado.
Este disipador de calor 220 puede cumplir dos funciones: (1) ayudar a disipar el calor de las celdas PV y (2) crear un eje ngido de soporte para los LGSP 100. El peso de los paneles se equilibra a cada lado del disipador de calor 220 y el disipador de calor 220 es donde el panel se conecta a un bastidor de soporte externo. Para ayudar a disipar el calor, y como se muestra en la Figura 29, el disipador de calor 220 puede tener aletas 226 fabricadas de una pieza de aluminio
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doblada unida entre dos carriles de aluminio extrudidos 228. Las aletas se conectan a los dos carriles y crean canales de aire verticales 230 en el disipador de calor 220. La union entre las aletas y los dos carriles puede realizarse por soldadura, resina epoxi, engarzado o por cualquier otro medio. Esta modalidad de disipador de calor abierto permite que el calor se disipe por conveccion natural ya que el aire caliente puede salir del disipador de calor 220 y el aire mas fno puede entrar en el disipador de calor 220 desde abajo.
Las celdas PV usadas en el sistema 216 pueden ser de cualquier tamano, tal como 125 milfmetros por 125 milfmetros, y pueden cortarse en franjas de cualquier altura, por ejemplo, 3 mm de altura para su uso con esta modalidad. Las celdas PV pueden encapsularse de cualquier manera convencional. Por ejemplo, pueden soldarse juntas en serie y luego se encapsulan con acetato de etilenvinilo (EVA) o cualquier otro material adecuado. Alternativamente, las conexiones electricas de las celdas PV pueden hacerse soldando, adhiriendo o uniendo las celdas PV a un circuito modelado sobre un sustrato dielectrico conductor termico. Los sustratos metalicos aislados (IMS) tales como los vendidos por The Bergquist Company de Chanhassen Minnesota senan apropiados. La Figura 30 muestra un sustrato 232 IMS soldado a una celda PV 234; la capa de soldadura se muestra en 235. El IMS 232 puede conectarse al disipador termico de aluminio 220 por resina epoxi o adhesivo, o por cualquier otro medio adecuado.
Un IMS 232 tfpico tiene un modelado electrico de cobre sobre una capa aislante de polfmero que se une a una base de aluminio o cobre. Se puede renunciar a la base y fijar directamente la capa aislante de polfmero con un patron electrico al disipador de calor 220. Este proceso puede realizarse en un horno mediante curado por calor. Una ventaja de esta aproximacion es que elimina el elemento base y puede reducir los costos. La celda PV 234 puede estar unida al IMS 232 a traves de una cinta conductora o malla que se conecta a toda la longitud del conector superior (no mostrado) de la celda PV 232. El conector posterior de la celda PV 232 puede unirse tambien en toda su longitud y/o su superficie. Para las celdas PV 232 que son largas y estrechas y fragiles, utilizando el metodo de conexion descrito anteriormente permite que las celdas de PC se rompan en secciones sin perder su funcionalidad o afectar sustancialmente a la produccion de energfa.
Las celdas PV pueden encapsularse para protegerse contra la humedad para evitar la corrosion. Esto puede hacerse usando cualquier material de blocaje adecuado tal como, por ejemplo, acetato de etilenvinilo (EVA). Sin embargo, el EVA requiere curado por calor y por lo tanto, las partes que requieren sellado necesitan colocarse en un horno. Otra aproximacion consiste en usar un material de blocaje, que se cura en su lugar a temperatura ambiente. Ciertos adhesivos opticamente claros, tales como la silicona Sylgard184 de Dow Corning, pueden servir para este proposito y pueden verterse en una capa fina sobre las celdas PV despues de la soldadura. Como ventaja adicional, los paneles pueden fijarse en su lugar antes que la silicona haya comenzado a endurecerse. Esto sella el espacio entre los paneles y las celdas PV y crea un enlace optico entre ellos. El enlace optico entre los paneles opticos y las celdas PV disminuye las perdidas de Fresnel en el borde de salida del panel optico.
Los LGSP pueden disponerse en un bastidor de montaje para formar un sistema de energfa solar. Los disipadores de calor pueden conectarse con cojinetes en el bastidor de montaje, lo que permite la rotacion libre del panel alrededor del eje formado por el disipador de calor 220 (vease el eje 218 en la Figura 27). El disipador de calor 220 puede conectarse a los cojinetes por medio de tapas de extremo moldeadas por inyeccion (236, figura 27), que estan unidas a los extremos del disipador de calor 220. Estas tapas de extremo 236 pueden tener cualquier caractenstica adecuada que permita la conexion a los cojinetes en el bastidor. Las tapas de extremo 236 pueden unirse al disipador de calor mecanicamente, con resinas epoxi, adhesivos, con cinta adhesiva, o a traves de cualquier otro medio adecuado. Las tapas de extremo 236 del disipador de calor 220 se acoplan tambien a un mecanismo que permite que un accionador controle la rotacion de los LGSP 100. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 31, tres enlaces de barras pueden conectar todos los modulos a un solo carril 238 que es accionado por un accionador lineal 240. Alternativamente, cada LGSP puede tener un engranaje de pinon que se fija a una cremallera, que de nuevo es accionada por un accionador lineal. Con cualquiera de los dos sistemas, un unico accionador lineal que mueve el unico carril puede impulsar el movimiento de todos los paneles, de modo que se inclinen al umsono y mantengan la alineacion.
Los sistemas de paneles solares de seguimiento de la luz solar completa pueden hacerse usando LGSPs que tienen una geometna de revolucion y se fabrican usando el enfoque de dos capas ejemplificado en las Figuras 23A-23C. La apariencia externa de tales sistemas de seguimiento completo puede ser similar a la de los descritos para el sistema de seguimiento anterior de un solo eje en que los LGSP pueden disponerse a lo largo de ambos lados de un disipador de calor central y soportarse por refuerzos.
Las dimensiones externas de los paneles pueden ser de 125 milfmetros por 250 milfmetros. La luz solar se concentra a una lmea 242 en el centro del borde interior del LGSP como se muestra en las Figuras 32A y 32B. La luz solar sale del panel solar 100 en una cara de medio cilindro 244 y entra en un espacio de aire. Aunque en principio se podna colocar una celda PV delgada a lo largo de la lmea 242, tal disposicion tendna una aceptacion angular limitada.
En la practica, se logra una aceptacion angular mas amplia colocando un prisma de techo de 90° 246 en la cara semicircular, como se muestra en las Figuras 33A - 33C. Este prisma de techo 246 puede fabricarse de vidrio o de cualquier otro material adecuado, y puede tener un mdice de refraccion mayor que 1.4. Las celdas PV de alta eficiencia, tales como celdas de triple union, pueden unirse opticamente a la base 248 del prisma de techo utilizando un material de blocaje de silicona u otra resina epoxi optica. Las Figuras 33D-33G muestran como puede fabricarse un panel solar
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de gma de luz rectangular 800 utilizando dos secciones de etapa de insercion de luz 802 y 804 que tienen cada una geometna giratoria y una correspondiente seccion de etapa de gma de ondas optica 806 y 808. La luz solar incidente sobre la etapa de insercion de luz 802 se acopla a la etapa de gma de ondas optica 806, que propaga la luz solar a la superficie 810. En cuanto a la luz solar incidente sobre la etapa de insercion de luz 804, esta se acopla a la etapa de gma de ondas optica 808, que propaga la luz solar a la superficie 812. Las superficies 810 y 812 pueden ser superficies planas y cualquier SEC adecuado puede asegurarse a las mismas. Al no tener que usar un prisma para acoplar la luz que sale de las etapas de gma de ondas optica 806 y 808, pueden evitarse perdidas de reflexiones de Fresnel. Las gmas de ondas opticas 806 y 808 pueden tener perfiles de medio cono de Winston 816 y 818 tal como se muestra en la Figura 33E. La Figura 33F muestra que el panel solar de gma de luz 800 puede fabricarse en un proceso de dos capas colocando las etapas de insercion de luz 802 y 804 sobre las etapas de gma de ondas optica 806 y 808. La Figura 33G muestra una vista despiezada del conjunto de la Figura 33E. Dado que la luz solar emerge desde ambos lados de los elementos opticos, pueden colocarse disipadores de calor en los lados opuestos respectivos del panel. Debido a que este panel de la Figura 33D no tiene un prisma de acoplamiento, la porcion de las etapas de gma de ondas optica 806 y 808 que esta adyacente a la superficie 810 y 812 puede fabricarse de un material aislante, que puede soportar mas calor, tal como, por ejemplo, sflice fundida, mientras que el resto esta hecho de PMMA.
Aunque la disposicion descrita anteriormente en relacion con las Figuras 33A-33C (con respecto a la luz solar que sale de una media cara cilmdrica 244 y luego se dirige a la celda PV por un prisma 246) introduce las perdidas de Fresnel al sistema, tambien coloca una capa de gas, aire o cualquier otro gas adecuado tal como, por ejemplo, argon, entre el prisma 246, que esta tocando directamente la celda PV y el LGSP. La ventaja de esta disposicion es que protege los elementos opticos (el LGSP) del calor que puede acumularse en la celda PV. La celda PV puede llegar a ser extremadamente caliente bajo alta concentracion, tal vez alcanzando 120 °C o mas, y esto afectana negativamente al panel optico si estuviera hecho de PMMA. La capa de gas puede aislar y proteger el panel optico de la acumulacion de calor en la celda PV.
Como se menciono anteriormente, los LGSP que utilizan una geometna de revolucion y disenados para una alta concentracion solar ofrecen un mejor rendimiento cuando se usan conjuntamente con un seguimiento completo del sol, manteniendo los rayos solares paralelos al vector normal de la superficie de entrada del panel solar hasta dentro de +/- 1°. El seguimiento completo se puede lograr de varias maneras, pero dos metodos en particular se adecuan al sistema.
El primer metodo de seguimiento completo se muestra en la Figura 34 donde los LGSP 100 estan montados en un bastidor 249 para inclinarse alrededor de una primera serie de ejes 250 y el bastidor 249 puede inclinarse alrededor de un eje 252 que es sustancialmente ortogonal al eje 250. Como tal, el LGSP puede rodar este-oeste para rastrear el movimiento del sol durante el transcurso del dfa y el bastidor puede inclinarse hacia el norte-sur para adaptarse a la variacion estacional del sol.
Una segunda aproximacion de seguimiento completo que permite mantener un perfil inferior se muestra en las Figuras 35 y 36. Los LGSP 100 pueden disponerse en bastidores 254 o 256 y pueden inclinarse alrededor de los ejes 258 y 260 respectivamente. Ademas, los bastidores 254 y 256 pueden hacerse girar alrededor de los ejes 262 y 264, respectivamente.
La Figura 37 muestra una variante del LGSP que emplea conos de Winston en la capa de insercion (etapa 102 de insercion de luz), como se muestra en la Figura 15. La modalidad de la Figura 37, que es una modalidad de geometna lineal, es bien adecuada para aplicaciones sin seguimiento porque tiene una amplia aceptacion angular debido a los conos de Winston. Con el fin de mejorar la concentracion alcanzable, puede emplearse una celda PV bifacial 266 situada entre dos paneles opticos; esta modalidad duplica la concentracion.
El LGSP 100 de la Figura 37 puede hacerse en una pila de dos partes, pero en lugar de moldear un panel solar para cada franja de celdas PV, puede moldearse un cluster de paneles, un cluster de paneles opticos que es un agrupamiento de numerosos elementos opticos concentradores en menos piezas. La Figura 38 muestra como puede hacerse un cluster LGSP 268 para alojar cuatro celdas PV 266.
La placa 270 que forma las capas de gma de luz (etapas de gma de ondas optica 104) puede tener ranuras 272 moldeadas en esta para alojar las celdas PV bifaciales 266. Las celdas PV 266 pueden soldarse y luego encapsularse antes de colocarse en la ranura, o pueden soldarse solamente para formar un circuito y luego colocarse en la ranura y encapsularse en su lugar usando un material de blocaje moldeado en posicion tal como silicona transparente o cualquier otra resina epoxi optica.
La union de varios paneles del cluster hace un modulo de panel solar completo. Existen numerosos metodos para combinar los LGSP. Un metodo es utilizar una rejilla de encuadre de aluminio para atartodos los paneles juntos. Otro metodo es para disponer y unir los paneles opticos por cualquier medio adecuado sobre un superestrato de vidrio ngido o cualquier otro material adecuado.
El LGSP sin seguimiento 268 generalmente no tendra 180° de aceptacion angular en el plano de la seccion transversal de los elementos opticos como se observa en la Figura 37. El cono de aceptacion del LGSP 268 puede ser +/- 30° de la normal del panel, que es suficiente para alojar la variacion estacional de la posicion del sol en el cielo. Como tal, el
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LGSP sin seguimiento 168 debe instalarse en una inclinacion que coincide con la latitud del lugar de instalacion; esto asegura que la normal a la superficie de entrada del panel es paralela con los rayos del sol en el equinoccio. Sin embargo, esto limita las configuraciones de instalacion del LGSP sin seguimiento 268. De hecho, el LGSP 268 puede disenarse con su cono de aceptacion inclinado fuera de la normal como se muestra en la Figura 39 para las ubicaciones del hemisferio norte. En la practica, puede disenarse un numero finito de series de LGSP sin seguimiento 268 para adaptarse a cualquier configuracion de instalacion.
Con el fin de hacer que el LGSP de la presente invencion sea lo mas rentable posible, puede usarse la fundicion o grabado continuo por contacto para fabricar los elementos opticos de la etapa de insercion de luz como pelfculas. Pueden usarse metodos de fabricacion por contacto, porque todos los paneles solares anteriores estan compuestos por una pila de placas que no tienen cortes inferiores. La capa de grna de luz en forma de cuna (etapa de grna de ondas optica) puede fabricarse por separado y la etapa de insercion de luz puede aplicarse a la etapa de grna de ondas optica usando un proceso de laminacion o cualquier otro proceso adecuado.
Como comprendera el experto en la tecnica, la capa de insercion de luz 102 del LGSP de la presente invencion tambien puede utilizar cualquier tipo adecuado de lentes como elementos opticos en lugar de solo las interfaces por TIR de enfoque descritas anteriormente. La Figura 40 muestra un LGSP 100 que no forma parte de la presente invencion que tiene una serie de lentes 274 que enfocan y acoplan opticamente la luz solar 106 a la etapa de grna de ondas optica 104.
Otra modalidad del LGSP que no forma parte de la presente invencion se muestra en las Figuras 41A, 41B y 42A- 42D. El LGSP 300 tiene una capa de insercion (etapa de insercion de luz 302) y una capa de grna de luz (etapa de grna de ondas optica 304). La etapa de insercion de luz 302 tiene elementos opticos en forma de una seccion deflectora 306 y secciones reflectoras 312. La seccion deflectora 306 desvfa la luz solar incidente 106 en una o ambas direcciones indicadas por la flecha doble 308. La luz solar desviada se dirige hacia los elementos opticos que son las secciones reflectoras 312, que se configuran como una serie de canales de luz conicos de enfoque. Los canales de luz conicos estan opticamente acoplados, a traves de una serie de aberturas de salida optica 313 a una serie de grnas de ondas 314 que forman la etapa de grna de ondas optica 304.
La seccion deflectora 306 puede incluir una capa de direccion optica en forma de un Holograma de Fase de Volumen (VPH). Las franjas en el holograma VPH se forman de cualquier manera adecuada, usando la interferencia entre dos fuentes de luz UV coherentes. La separacion y el angulo de la franja pueden disenarse de tal manera que uno o mas modos de difraccion puedan caer dentro de 45 grados del plano del panel solar 300. La Figura. 42A muestra un ejemplo de como funciona una VPH 309 de este tipo. La deflexion resultante se ejemplifica en las Figuras 42B a 42D.
La seccion deflectora 306 tambien puede hacerse usando elementos opticos sin interferencia, tal como, por ejemplo, los elementos opticos de caras planas como prismas. Por ejemplo, una serie de prismas de 60° dispuestos de manera interconectada con un pequeno espacio de aire entre ellos dividina la luz incidente en el plano del panel en dos direcciones. Esta deflexion bidireccional conducina a la acumulacion de luz en dos bordes opuestos del panel solar 300. Dichos elementos opticos de direccion se muestra en la Figura 43.
La etapa de grna de ondas optica 304 tiene una geometna lineal y puede tener una pluralidad de grnas de onda 314 que reciben luz desde sus respectivos canales de luz conicos (seccion reflectora 312) y que atrapan la luz por reflexion total interna. Las grnas de onda 314 actuan como lmeas de retardo por las que la luz entra desde arriba, en las aberturas opticas de salida 313, se desplaza durante cierta distancia y luego puede salir por la parte superior a traves de las aberturas opticas de salida 313. Una modalidad de canal potencial se muestra en las Figuras 42A-42C. La luz que entra en un canal de luz conico (seccion reflectora 312) se refleja de una primera seccion parabolica 316, despues de una cara plana 318 y de una segunda seccion parabolica 320 antes de entrar en una seccion cilmdrica que define la grna de ondas 314. La luz puede viajar dentro de la grna de ondas 314 de una manera en espiral durante cierta distancia antes de escapar. Siempre que la longitud de la grna de ondas 314 sea menor que la distancia de recorrido media de los rayos de luz atrapados, la luz acoplada en la grna de ondas 314 emergera concentrada desde el extremo del canal donde puede ser colectada por cualquier SEC adecuado. A modo de ejemplo, si la etapa de grna de ondas optica 104 tiene 1 cm de altura y las grnas de onda 314 tienen 150 cm de longitud, entonces el 75 % de la luz incidente sobre el LGSP 300 alcanzara los dos extremos de la grna de ondas para colectarse mediante un SEC. Si la luz incide de manera uniforme sobre el LGSP 300 entonces la luz se distribuira uniformemente entre los dos extremos del canal de grna de ondas.
El LGSP 300 puede incluir cualquier numero de grnas de onda 314 y canales de luz conicos 312 y cada grna de onda 314 puede formar una unidad con un respectivo canal de luz conico 312. Las unidades formadas por el canal de luz conico 312 y sus grnas de onda 314 respectivas pueden fabricarse por moldeo.
En el LGSP 300, cada grna de ondas 314 tiene una superficie de salida 315, y la suma de las superficies de salida 315 forma la superficie de salida total de la etapa de grna de ondas optica 304. Cualquier SEC adecuado puede colocarse a la salida de la pluralidad de aberturas opticas de salida 315 para colectar la luz solar 106.
Pueden usarse otras geometnas de canales de luz conicos/gma de ondas. Por ejemplo, las Figuras 44A-44C muestran un canal de luz conico 322 que tiene una pluralidad de grnas de ondas 326 formadas sobre el mismo, donde el diametro de la grna de ondas disminuye a medida que disminuye la anchura del canal de luz conico. El escalonamiento de las
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gmas de ondas verticalmente permite que dos o mas canales se coloquen estrechamente uno al lado del otro con poco espacio muerto entre ellos.
El disipador de calor 220 descrito previamente puede usarse junto con sistemas de seguimiento de un solo eje y los sistemas de altamente concentradores de rastreo completo para eliminar el exceso de calor del SEC (por ejemplo, celdas PV) en el aire circundante. Sin embargo, el exceso de calor puede ser utilizado para calentar agua. Esta funcionalidad puede lograrse con el disipador de calor 400 mostrado en las Figuras 45A y 45B. El disipador de calor 400 puede fabricarse de aluminio o cualquier otro material adecuado. En contraste con el disipador de calor 220, que presenta aletas para liberar el exceso de calor al aire, el disipador de calor 400 tiene uno o mas canales 402 para el flujo de agua que extrae el exceso de calor generado en los SEC.
Como se observa en la Figura 46, las tapas de extremo 403 pueden fijarse al disipador de calor 400 y servir el doble proposito de sujetar los LGSP a un bastidor de montaje por medio de cojinetes, y tambien sirven como entrada y salidas a un intercambiador de calor (no mostrado). El agua podna fluir directamente a traves de un disipador de calor 400, con una entrada en una tapa de extremo y una salida en la otra, o podna fluir dentro y fuera del disipador de calor 400 a traves de la misma tapa de extremo, donde la tapa de extremo opuesta funciona como una curva en u. Esta modalidad puede simplificar el enrutamiento de mangueras entre muchos modulos en un sistema extendido. El numero de canales en la extrusion podna aumentarse de manera que tenga una mayor superficie de contacto entre el agua y el aluminio del disipador de calor 400. La velocidad del flujo de agua a traves del disipador de calor 400 puede usarse para controlar la temperatura de las SEC y para mantener los LGSP dentro de su rango de temperatura de funcionamiento. Un sistema que utiliza disipadores de calor 400 interconectados a traves de mangueras 406 se muestra en la Figura 46. Como comprendera el experto en la tecnica, puede usarse un fluido de intercambio de calor distinto del agua en el sistema de la Figura 46.
La luz solar capturada por el LGSP de la presente invencion puede usarse en un sistema solar termico que no use celdas PV. Un ejemplo de tal sistema solar termico 500 se muestra en la Figura 47. El sistema 500 puede usar un tubo de doble pared 502 que tiene su tubo mas exterior transparente. Un gas aislante, tal como argon, separana el tubo interior del tubo exterior. El tubo interior puede ser negro para absorber la luz solar incidente. A traves del tubo central, fluye un lfquido absorbente de calor, tal como agua, aceite o cualquier otro lfquido adecuado.
El tubo 502 se coloca en la posicion previamente ocupada por disipadores de calor en las modalidades descritas anteriormente. La luz solar concentrada, pasa a traves del tubo exterior transparente y la capa de gas aislante, y se absorbe por el tubo interior. Esto hace que el lfquido en el tubo interior se caliente. Los tubos portadores de fluido pueden permanecer fijos en posicion mientras los elementos opticos giran alrededor de estos.
Se pueden fabricar algunas de las pequenas estructuras opticas del LGSP de la presente invencion usando una tecnica conocida como silicona sobre vidrio. El caucho de silicona transparente delgado, similar al Sylgard ™ 184 de Dow, se forma en las formas necesarias sobre un sustrato de vidrio. Tambien se puede moldear silicona por sf sola sin ningun sustrato de vidrio.
Ventajosamente, el LGSP de la presente invencion es relativamente insensible a la expansion o contraccion termica. Esto es posible porque todos los componentes opticos de los paneles solares se fabrican de materiales similares, o iguales. Debido a esto, se expandiran en el mismo grado y la funcion del elemento optico no cambiara significativamente. Espedficamente, a medida que los reflectores 110 se expanden, tambien lo hara la seccion de grna de ondas 104. Esto mantiene el mismo foco para la luz 106 que refleja 110 y se enfoca en 116 de la Figura 1 a medida que la unidad se expande y se contrae con cambios de temperatura.
Para el seguimiento de un solo eje, el panel se inclina para mantener la alineacion en un plano con luz solar incidente. Tambien puede anadirse un dispositivo optico encima de los elementos opticos que acondiciona previamente la luz, alterando el angulo de la luz incidente para alinear la luz incidente en los elementos opticos. Dichos elementos opticos de acondicionamiento previo podnan emplear espejos moviles, prismas o elementos electroopticos.
El seguimiento puede realizarse manualmente inclinando ocasionalmente el panel de seguimiento de un solo eje o el panel sin seguimiento. Un panel de seguimiento manual sena uno con una aceptacion angular lo suficientemente amplia, digamos, por ejemplo, mas o menos 5 grados en el plano de la seccion transversal, de modo que solo tendna que ser reajustado ligeramente manualmente cada pocas semanas. Los sensores electronicos de alineacion podnan ayudar a la alineacion, pero los accionadores no senan necesarios.
Puede hacerse un LGSP usando un mecanismo diferente usando un panel con un mdice de refraccion de gradiente. El gradiente del mdice de refraccion aumenta en la direccion a favor de la corriente del LGSP, de modo que la luz incidente sobre el panel se desviana hacia la direccion a favor de la corriente. Si el gradiente fuera suficiente para causar suficiente desviacion para TIR en la cara inferior del panel, entonces la luz quedana atrapada y se conducina hasta el borde del panel como se muestra en la Figura 48. Con menos gradiente, puede ser necesario un espejo para la primera reflexion si la luz sale de la cara inferior del panel y una deflexion adicional mientras se desplaza hacia atras a traves del panel hasta la superficie superior aumentana el angulo de incidencia en la cara superior lo suficiente para que ocurra TIR. Esto se muestra en la Figura 49.
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Las Figuras 50A y 50B muestran como pueden agruparse los paneles solares de gma de luz, tales como el panel solar de gma de luz 800 de la Figura 33D. Los paneles solares de gma de luz 800 pueden colocarse entre dos disipadores de calor de aluminio orientados verticalmente 900 para formar un conjunto lineal 902 de paneles solares de gma de luz 800. Grupos mas grandes de paneles solares de gma de luz 800 pueden ensamblarse uniendo los conjuntos lineales 902.
La presente invencion es la de un sistema de energfa solar que usa un LGSP para atrapar luz dentro de un dielectrico u otro panel transparente y propaga la luz a uno de los bordes del panel para colectarse por un SEC. Esto permite modulos muy delgados cuyo grosor es comparable a la altura del SEC, por ejemplo una celda PV, en el borde del modulo, eliminando asf los requerimientos de profundidad inherentes a los sistemas de energfa solar tradicionales, tales como los sistemas CPV. La luz que golpea al LGSP es redirigida y atrapada internamente para que salga del panel a traves de uno de sus bordes donde un SEC la recibe.
Los LGSP se pueden combinar en cluster para crear modulos. Los elementos opticos del LGSP pueden disenarse estructuralmente para ser en gran medida autosoportados, lo que significa que no requieren un recinto externo para mantener su forma y orientacion. Puede anadirse un recinto completo a la modalidad. Como se describira a continuacion, para minimizar el uso y el costo del material, los modulos LGSP pueden soportarse mediante una configuracion minima de eje y refuerzo.
La luz solar concentrada puede aprovecharse para un proposito distinto de la creacion de electricidad con celdas PV. Un uso alternativo es el calentamiento de un elemento. Los modulos tambien pueden configurarse para calentar agua mientras generan electricidad simultaneamente. Tambien puede acoplarse la luz concentrada en una fibra optica u otra gma de luz para propagarla a otro lugar para algun otro uso, tal como un dispositivo de iluminacion para proporcionar iluminacion solar. Ademas, los elementos opticos del LGSP de la presente invencion pueden usarse para reducir el espesor de los elementos opticos en otras aplicaciones, incluyendo, por ejemplo, lamparas e iluminacion. Otros aspectos y usos de la presente invencion resultaran evidentes para los expertos en la tecnica al revisar la siguiente descripcion de modalidades espedficas de la invencion conjuntamente con las figuras adjuntas.
En la descripcion anterior, con fines de explicacion, se exponen numerosos detalles con el fin de proporcionar una comprension completa de las modalidades de la invencion. Sin embargo, sera evidente para un experto en la tecnica que estos detalles espedficos no son necesarios para poner en practica la invencion. En otros casos, las estructuras y circuitos electricos bien conocidos se muestran en forma de diagrama de bloques con el fin de simplificar la invencion. Por ejemplo, no se proporcionan detalles espedficos sobre si las modalidades de la invencion descritas aqm se implementan como una rutina de software, un circuito de hardware, un firmware o una combinacion de los mismos.
Las modalidades de la invencion descritas anteriormente pretenden ser solo ejemplos. Pueden efectuarse alteraciones, modificaciones y variaciones a las modalidades particulares por los expertos en la tecnica sin apartarse del alcance de la invencion, que esta definido unicamente por las reivindicaciones adjuntas a la presente.

Claims (12)

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    65
    Reivindicaciones
    1. Un panel solar de gma de luz (100, 800) que funciona conjuntamente con un colector de ene^a solar, el panel solar de gma de luz comprende:
    una etapa de insercion de luz (102, 198, 208, 802, 804) formada en una primera placa de material optico transmisivo, la etapa de insercion de luz tiene una superficie de entrada (108) para recibir luz solar incidente (106), una pluralidad de elementos opticos (110, 202, 203, 212) y una pluralidad de caras de salida (144, 204, 214), los elementos opticos se forman entre la superficie de entrada y la pluralidad de caras de salida, cada uno de la pluralidad de elementos opticos enfoca la luz solar incidente sobre el elemento optico hacia una pluralidad de caras de salida correspondientes y dirige de ese modo la luz solar hacia el colector de energfa solar; una etapa de gma de ondas optica (104, 200, 210, 806, 808) formada en una segunda placa de material optico transmisivo, la etapa de gma de ondas optica tiene una primera superficie (118, 120), una pluralidad de elementos de reflexion interna total (124) opuestos a la primera superficie, una pluralidad de caras de inyeccion (146, 206) y una superficie de salida (130, 142, 810, 812), cada una de la pluralidad de caras de inyeccion se situa entre los elementos de reflexion interna total adyacentes, la etapa de gma de ondas optica es mas gruesa aguas abajo que aguas arriba y cada cara de inyeccion de la etapa de gma de ondas optica se acopla opticamente a una de las caras de salida de la etapa de insercion de luz para formar una pluralidad de aberturas opticas de salida (116) que reciben la luz solar desde la etapa de insercion de luz, en donde la luz solar se enfoca y entra en la etapa de gma de ondas optica a traves de la pluralidad de aberturas opticas despues de una unica reflexion de la luz solar incidente por los elementos opticos (110, 202, 203, 212), la etapa de gma de ondas optica gma la luz solar a traves de una serie de reflexiones totales internas entre la primera superficie (118, 120) y la pluralidad de elementos de reflexion interna total (124) hacia la superficie de salida (130, 142, 810, 812); y un elemento optico de punto de pellizco (170, 172, 174, 176, 816, 818) fabricado de un material optico transmisivo acoplado opticamente a la etapa de gma de ondas optica, asegurado entre la etapa de gma de ondas optica y el colector de energfa solar, para concentrar la luz solar sobre la energfa solar en el colector de energfa.
  2. 2. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos opticos (110, 202, 203, 212) se disponen uno con respecto al otro a lo largo de arcos de cfrculo sustancialmente concentricos y la superficie de salida (130, 142) se configura como un arco de cfrculo sustancialmente concentrico con los elementos opticos (110, 202, 203, 212).
  3. 3. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una de la superficie de entrada (108) y la primera superficie (118, 120) tiene una capa de revestimiento (184) formada sobre la misma.
  4. 4. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento optico de punto de pellizco (170, 172, 816, 818) comprende una superficie curvada para concentrar adicionalmente la luz solar sobre el colector de energfa solar.
  5. 5. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento optico del punto de pellizco (170, 172, 174, 176, 816, 818) se fabrica de un material aislante termico.
  6. 6. El panel solar de gma de luz de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque la etapa de insercion de luz (102, 198, 208) formada como una primera placa y la etapa de gma de ondas optica (104, 200, 210) formada como una segunda placa se separan entre sf
  7. 7. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa de insercion de luz (102, 198, 208) y la etapa de gma de ondas optica (104, 200, 210) se separan por un espacio de aire.
  8. 8. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos opticos (110, 202, 203, 212) incluyen al menos uno de un reflector curvado, un reflector parabolico, reflectores cubicos, reflectores hiperbolicos, reflectores elfpticos, y reflectores redondos.
  9. 9. El panel solar de gma de luz de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los elementos opticos (110, 202, 203, 212) se disponen uno con respecto al otro a lo largo de lmeas sustancialmente paralelas que son paralelas con respecto a la superficie de salida.
  10. 10. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento optico del punto de pellizco (174, 176) es un elemento de redireccionamiento de luz de cara plana.
  11. 11. El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de elementos de reflexion interna total (124) de la etapa de gma de ondas optica (104, 200, 210) incluye reflectores planos que son paralelos a la primera superficie.
    El panel solar de gma de luz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento optico del punto de pellizco (174, 176) es un elemento separado de la etapa de gma de ondas optica.
  12. 13. El panel solar de gma de luz de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque la al menos una de las etapas de insercion de luz (102, 198, 208, 802, 804) y la etapa de gma de ondas optica (104, 200, 210, 806, 808) comprende elementos de montaje para la alineacion de la primera placa a la segunda placa.
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