ES2952002T3 - Acristalamiento aislante con concentrador solar luminiscente para la producción de energía eléctrica - Google Patents

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Abstract

Acristalamiento aislante (1) que comprende al menos dos paneles (4, 5, 6) de material transparente o semitransparente. Al menos uno (5) de estos paneles es un concentrador solar luminiscente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Acristalamiento aislante con concentrador solar luminiscente para la producción de energía eléctrica
El objetivo de la presente invención es un acristalamiento aislante según el preámbulo de la reivindicación principal que se puede leer en la figura del documento BE1000298A5.
Como es sabido, un acristalamiento aislante multividrio está constituido por al menos dos paneles vítreos o de plástico que son transparentes o semitransparentes, y están espaciados entre sí por espaciadores sellados. De este modo, entre los paneles hay presencia de una cámara habitualmente llena de gas que tiene una baja conductividad térmica (por ejemplo, argón, criptón), con lo cual se posibilita la mejora del aislamiento térmico del acristalamiento aislante.
En esta arquitectura convencional, el acristalamiento aislante se usa para constituir paredes de vidrio continuas en edificios con una fachada continua, y para cerrar aberturas de ventanas, puertas vidrieras exteriores o similares (y, en este caso, están provistos de un marco). No obstante, los acristalamientos aislantes conocidos no posibilitan la producción de energía a partir de la radiación solar que incide en sus paneles.
También se conocen concentradores solares luminiscentes que son particularmente adecuados para transformar en energía eléctrica la radiación solar que se les suministra.
Como es sabido, los concentradores solares luminiscentes (o LSC) comprenden una guía de ondas de vidrio o plástico que define el cuerpo del concentrador, estando recubierto o dopado dicho cuerpo con elementos o componentes de alta emisión conocidos comúnmente como fluoróforos. La luz solar directa y/o difusa es absorbida por estos fluoróforos, y se vuelve a emitir con una longitud de onda mayor. La luminiscencia así generada se propaga por medio de la reflexión interna total a los bordes de la guía de ondas, y se convierte en energía eléctrica mediante células fotovoltaicas que están acopladas al perímetro del cuerpo del concentrador.
Seleccionando adecuadamente la concentración de fluoróforos en la guía de ondas y sus propiedades ópticas, es posible producir dispositivos de colores o incoloros con el nivel requerido de transparencia y una forma arbitraria, pudiéndose integrar arquitectónicamente dichos dispositivos, por ejemplo, en forma de un acristalamiento aislante fotovoltaico.
El documento US2014/130864 describe un concentrador solar transparente usado en una ventana del tipo con dos paneles, cada uno de los cuales puede comprende un concentrador solar.
El documento WO2015/152011 describe un panel multicapa que comprende dos paneles de vidrio entre los cuales se coloca un elemento plano realizado con resina. Entre los paneles y el elemento realizado con resina se colocan espaciadores, mientras que el elemento realizado con resina se inserta, por una parte perimétrica del mismo, dentro de una ranura en un marco metálico dispuesto entre dichos espaciadores. Entre los paneles de vidrio y el marco metálico, se colocan elementos de sellado dentro de un espacio hueco que está presente entre los paneles y el elemento realizado con resina.
En la ranura del marco metálico, se coloca un material almohadillado que puede recibir el borde adyacente del elemento realizado con resina; no es necesario tampoco que este material almohadillado se coloque en ambos lados del marco, o el mismo se puede disponer parcialmente dentro de la ranura.
El uso del elemento plano realizado con resina es necesario ya que puede mejorar la resistencia del panel multicapa a la rotura.
El documento WO2018/132491 describe una ventana que puede generar electricidad, y comprende un primer y un segundo elementos planos realizados con vidrio, y un dispositivo que puede generar electricidad si en el mismo incide luz solar, tal como un dispositivo fotovoltaico, proporcionado en una superficie interior de uno de estos elementos planos.
El objetivo de la presente invención es proporcionar un acristalamiento aislante, que, además de las ventajas del aislamiento térmico, también tiene la posibilidad de transformar en energía eléctrica la radiación solar a la que está sometido.
Otro de los objetivos consiste en proporcionar un acristalamiento aislante en el que las células solares que están acopladas al perímetro del cuerpo del concentrador solar constituyen un circuito eléctrico que puede generar una cantidad uniforme de energía eléctrica a lo largo de los bordes del concentrador, independientemente del hecho de que a algunas secciones de estos bordes, cercanas a las esquinas, les llegue menos radiación de luz.
Otro de los objetivos consiste en proporcionar un acristalamiento aislante del tipo antes mencionado que tenga un elemento de sellado duradero, es decir, un acristalamiento aislante fotovoltaico en el que el gas con baja conductividad térmica contenido en el mismo no esté sujeto a fugas durante un periodo de tiempo. Otro de los objetivos es proporcionar un acristalamiento aislante, en el que la energía eléctrica generada se pueda transferir de una manera sencilla a baterías o a una toma de la red eléctrica del entorno en el que se use el acristalamiento aislante.
Un objetivo adicional consiste en proporcionar un acristalamiento aislante que se pueda usar como fuente de suministro de alimentación a dispositivos eléctricos y/o electrónicos que se usen dentro de un entorno en el que esté presente el acristalamiento aislante, tales como dispositivos antirrobo, un repetidor de Wi-Fi, elementos de iluminación o similares.
Estos y otros objetivos que resultarán evidentes para los expertos en la materia se logran mediante un acristalamiento aislante según la reivindicación principal.
Para comprender mejor la presente invención, meramente a título de indicación no limitativa, se adjuntas los siguientes dibujos, en los cuales:
la figura 1 muestra una vista explosionada y en perspectiva de un acristalamiento aislante según la invención, habiéndose omitido algunas partes en aras de una mayor claridad;
la figura 2 muestra una vista parcial ampliada y en perspectiva de una parte inferior del acristalamiento aislante de la figura 1, habiéndose omitido algunas partes en aras de una mayor claridad;
la figura 3 muestra una vista lateral de lo mostrado en la figura 2;
la figura 4 muestra una vista lateral de lo mostrado en la figura 3, pero con una variación dimensional de un componente del acristalamiento aislante de la figura 1;
la figura 5 muestra una vista en perspectiva de un componente del acristalamiento aislante de la figura 1 según una forma de realización del acristalamiento aislante que no forma parte de la invención;
la figura 6 muestra una vista en perspectiva de una variante del componente de la figura 5 según la invención; la figura 7 muestra una vista similar a la de la figura 2, pero de una variante de la invención que no se sitúa dentro del alcance de la presente invención;
la figura 8 muestra una vista lateral esquemática de la variante de la figura 7;
la figura 9 muestra una vista similar a la de la figura 8, pero con una variación dimensional de un componente del acristalamiento aislante de la figura 7;
la figura 10A muestra un perfil genérico de emisión de fotones por parte del concentrador solar (línea continua P) y el histograma relativo a la corriente producida por células solares con una dimensión constante acopladas al borde del concentrador. En esta configuración, la corriente máxima que se puede obtener (línea de trazos L) está limitada por la corriente generada por las células en los extremos del concentrador;
la figura 10B muestra esquemáticamente una vista lateral del concentrador solar con células solares con dimensiones idénticas;
la figura 11A muestra el mismo perfil de emisión de fotones por parte del concentrador solar (línea continua P) de la figura 10 y el histograma relativo a la corriente producida por células solares con una dimensión variable acopladas al borde del propio concentrador, mostrado en la figura 11B. En esta configuración, la corriente máxima que se puede obtener (línea de trazos L) es independiente del perfil de emisión a lo largo de los bordes; y
la figura 12 muestra esquemáticamente un acristalamiento aislante usado en una “ventana inteligente” autoalimentada.
Haciendo referencia a las figuras antes mencionadas, el acristalamiento aislante se indica como 1, y contiene una parte central definida por al menos dos paneles; en las figuras, a título de ejemplo, el acristalamiento aislante comprende tres paneles: un primer panel, exterior, 4, un panel intermedio 5 y un panel interior 6, en donde exterior e interior se refieren al entorno de una apertura o pared individual en la cual se coloca el acristalamiento aislante. El panel exterior 4 y el panel interior 6 están realizados con vidrio o con material plástico, mientras que el panel intermedio 5 es un concentrador solar luminiscente (LSC), de un tipo conocido en sí mismo.
Este concentrador o LSC 5 puede estar en forma o bien de una placa sólida (tal como de las figuras), o bien de una película dispuesta en un soporte transparente, por ejemplo un material plástico. Como es sabido, el concentrador solar luminiscente o LSC 5 comprende, también, un cuerpo principal 7 realizado con material de vidrio o plástico en el que hay presencia de sustancias de emisión (que, a título de ejemplo, se muestran en la figura 1 en forma de elementos 8 que se pueden identificar claramente dentro del cuerpo 7).
En los bordes 7A, 7B, 7C, 7D del cuerpo 7, hay presencia de células fotovoltaicas 10 conocidas que pueden captar la radiación de luz (indicada como 11 en la figura 1) emitida por las sustancias de emisión 8 que están presentes en el LSC, después de la absorción, por parte de las sustancias, de radiación de luz incidente (indicada como 12 en la figura 1) sobre el acristalamiento aislante 1. Estas células fotovoltaicas 10 están acopladas ópticamente, según una manera conocida, en el cuerpo 7 del LSC 5.
De este modo, el uso del acristalamiento aislante 1, según se ha descrito anteriormente, en una ventana, una puerta vidriera exterior (y, en este caso, la misma está provista de un contramarco perimetral 80, según se muestra en la figura 12) o para definir (junto con otro acristalamiento aislante 1) la pared de un entorno posibilita la obtención de energía eléctrica a partir de la radiación de luz que incide en el acristalamiento aislante. No obstante, los materiales plásticos conocidos que constituyen el concentrador solar luminiscente 5, o, en cualquier caso, el conjunto de materiales presentes en el concentrador solar (producido en forma o bien de una placa sólida o bien de una película sobre un soporte transparente) tienen un coeficiente de dilatación térmica diferente del correspondiente del vidrio de los paneles 4 y 6. Si este problema no se resolviese, usando arquitecturas convencionales para un acristalamiento aislante estándar, el acristalamiento aislante se vería dañado en poco tiempo como consecuencia de las tensiones mecánicas asociadas a la dilatación y/o contracción de la estructura.
Este problema se resuelve mediante el uso de unidades espaciadoras (o simplemente “espaciadores”) 17 colocadas en los paneles 4-6, pudiendo aceptar dichos espaciadores la dilatación de los propios paneles, con lo cual se mantiene inalterado el elemento de sellado de la cámara que está presente entre los paneles (y conteniendo dicha cámara el gas con baja conductividad térmica).
Además, cada espaciador 17 tiene un receptáculo para alojar los componentes eléctricos y fotovoltaicos que están presentes en el perímetro del concentrador solar luminiscente, y permite el contacto eléctrico entre los componentes y el circuito para la extracción de la energía eléctrica.
Haciendo referencia, en particular, a las figuras 1-6, cada espaciador 17 comprende un cuerpo preformado 18 con dos partes 19 y 20 (constituidas sustancialmente en forma de una “U” invertida), situándose dichas partes a una breve distancia entre sí y delimitando un canal 21. En el canal, se puede introducir un extremo 22 correspondiente del LSC 5. Por otro lado, las partes 19 y 20 presentan unas paredes terminales 19A y 20A en el exterior del espaciador y se hace que las mismas formen una sola pieza con los paneles 4 y 6 gracias a adhesivos y elementos de sellado 24 convencionales (por ejemplo, que están basados en silicona).
El canal 21 aloja el LSC compuesto por su cuerpo 7 y por las células fotovoltaicas 10 que están acopladas al mismo. No obstante, el concentrador solar luminiscente o LSC 5 no es enterizo con el espaciador preformado 17, ya que no está conectado por medio de adhesivos o capas adhesivas al cuerpo 18 de este espaciador. Por lo tanto, el LSC es libre de deslizarse en el canal, hacia una pared 27 que, en la parte inferior (en referencia a las figuras), delimita el canal 21 (y conecta las partes 19 y 20). Esto proporciona al espaciador 17 la posibilidad de tolerar cualquier dilatación o contracción del concentrador solar luminiscente 5.
El espaciador 17 también puede permitir la inserción, en el canal 21, de un elemento compensador 30 que puede compensar la dilatación y/o contracción térmica del LSC 5, en una dirección ortogonal a un eje que es perpendicular a la pared 27 antes mencionada. A título de ejemplo no limitativo, este elemento se puede realizar con un material plástico o gomoso o una espuma.
La figura 4 representa esquemáticamente el principio de funcionamiento del espaciador 17 antes descrito en caso de que el concentrador solar luminiscente se dilate después de una variación de temperatura; esta dilatación (indicada con la flecha H) tiene lugar perpendicularmente a un eje Z que es ortogonal a las caras del concentrador 5 con el área más grande (es decir, a la pared 27 del espaciador 17). Lo que ocurre después de esta dilatación se muestra también mediante una comparación de las figuras 3 y 4: en caso de que aumente la temperatura, el espaciador puede absorber la dilatación térmica del LSC 5, gracias a la compresión del elemento compensador 30. Consecuentemente, se evitan daños y tensiones mecánicas en la estructura del acristalamiento aislante, los cuales podrían dañar de manera irreparable el acristalamiento aislante (en particular, su marco).
Cualquier dilatación del LSC en otras direcciones, tales como la del eje Z, es recibida dentro del canal 21, que, ventajosamente, tiene unas dimensiones tales que recibe dicho acristalamiento aislante con cierto juego.
Con un espaciador 17 rígido como el mostrado en las figuras, que tiene el canal 21 que contiene tanto el concentrador solar luminiscente 5 como el elemento compensador 30, es necesario implementar soluciones para permitir el acoplamiento eléctrico entre las células fotovoltaicas 10 del concentrador solar 5 y un circuito eléctrico (no mostrado) en el exterior del acristalamiento aislante, estando asociado dicho circuito eléctrico, por ejemplo, a un contramarco 80 según se muestra en la figura 10.
Las figuras 5 y 6 muestran dos soluciones posibles para este requisito: según la configuración de la figura 5, que no forma parte de la invención, se proporcionan agujeros pasantes 37 dentro de la pared 27 del cuerpo 18 del espaciador 17, para permitir el paso de hilos o cables eléctricos (no mostrados) conectados directamente a las células fotovoltaicas 10 situadas en el extremo 22 del LSC 5.
Alternativamente, según la invención y la configuración de la figura 6, el espaciador 17 presenta unos contactos metálicos 40 dispuestos entre el elemento compensador y las células fotovoltaicas 10 del LSC 5 (donde dichos contactos metálicos tienen conectores deslizantes, no mostrados). De este modo, estos contactos 40 están conectados a cables o conductores similares que llegan al exterior del acristalamiento aislante.
En ambas soluciones, se garantiza la conexión eléctrica entre las células solares y un circuito eléctrico externo (que es conocido en sí, y no se muestra), estando dicho circuito asociado a la estructura fija (por ejemplo, el contramarco 80) que rodea el marco del acristalamiento aislante (estructura fija mostrada en la figura 12, que se describirá posteriormente en la presente).
En la variante de las figuras 7-9 (que no se sitúa dentro del alcance de la presente invención pero en la que los elementos correspondientes a aquellos ya descritos en relación con las figuras 1-6 se indican con las mismas referencias numéricas), se muestra el uso de espaciadores 17 parcialmente flexibles, estando dispuestos dichos espaciadores entre cada panel 4 y 6, y el LSC 5. Cada espaciador comprende una forma sustancialmente a modo de “U” invertida, con brazos paralelos 47 y 48 que son rígidos, y están encolados por medio de capas adhesivas o adhesivo 240 y 241, respectivamente, en los paneles exterior y interior 4 y 6 del acristalamiento aislante (los lados 47) y el cuerpo 7 del concentrador solar luminiscente 5 (los lados 48).
En el caso que nos ocupa, los espaciadores 17 no son completamente rígidos como en el caso previamente descrito y mostrado en las figuras 1-6, sino que tienen una parte flexible 50 que conecta los brazos 47 y 48. Esta parte 50 de cada espaciador 17 permite que el espaciador absorba las dilataciones o contracciones térmicas del concentrador solar luminiscente 5 con respecto a los otros paneles 4 y 6 realizados con un material diferente, sin que el acristalamiento aislante 1 experimente daños provocados por esfuerzos mecánicos.
La comparación de las figuras 8 y 9 muestra la deformación de cada espaciador 17, cuando el LSC 5 se deforma (flecha H) en caso de que se someta a variación térmica. Se apreciará que, con la solución de las figuras 7-9, el marco del acristalamiento aislante debe tener espacios libres en los bordes 7A-7D para la deformación del LSC 5.
Debe señalarse que la parte 50 del espaciador 17 comprende un componente intermedio flexible o resiliente o plástico 55 que facilita la deformación de la parte 50, al tiempo que manteniendo la rigidez del acristalamiento aislante.
Habitualmente, las células fotovoltaicas 10 se acoplan de acuerdo con un esquema específico, según se muestra en la figura 10B. Después de este acoplamiento, la distribución de fotones emitidos a lo largo del perímetro de un LSC no es constante, según se muestra mediante la figura 10A.
Más particularmente, a título de ejemplo no limitativo, la figura 10A muestra el perfil de emisión de un lado de un LSC con una longitud de 15 cm (donde el número de fotones emitidos se indica en unidades normalizadas con respecto al valor máximo emitido desde el centro del lado del concentrador). Debe señalarse que la distribución no homogénea de emisión de luz es una característica intrínseca del LSC, y, por lo tanto, es independiente de sus dimensiones. En particular, el número de fotones emitidos desde el centro de un lado es siempre mayor que el número de los fotones emitidos desde los dos extremos del propio lado. Consecuentemente, las células fotovoltaicas acopladas al mismo están expuestas a una intensidad de radiación de luz que no es espacialmente uniforme.
Esto conduce al hecho de que la corriente producida por una cadena de células solares con las mismas dimensiones, conectadas entre sí en serie, y acopladas al lado del concentrador, se limita a la corriente producida por la célula menos iluminada de la cadena.
Este efecto se muestra en el histograma de la figura 10A, donde la distribución espacial de la corriente eléctrica producida por células solares 10 con un área idéntica (histograma) sigue la distribución no homogénea de fotones emitidos desde el lado del concentrador (línea continua). Consecuentemente, las células 10 que están situadas en los extremos del lado producen corriente que es significativamente menor que las células que están situadas en el centro del propio lado. Esto introduce un límite intrínseco sobre la corriente eléctrica que se puede extraer de la cadena completa de células, viniendo dictaminado específicamente dicho límite por la corriente generada por las células menos iluminadas.
Una solución a este problema que hace posible maximizar la energía eléctrica que puede obtenerse a partir de un concentrador solar es usar células fotovoltaicas con dimensiones diferentes, de tal modo que se compense la intensidad diferente de emisión de luz a lo largo del lado del concentrador. Esto puede llevarse a cabo de acuerdo con el esquema de la figura 11B, en el que células 10M con un área mayor se sitúan en secciones con una iluminación menor del lado del concentrador. En este caso, puesto que la corriente es proporcional al producto de la densidad de iluminación y el área iluminada, según se indica en la figura 11A, el perfil de corriente eléctrica generada no sigue el desarrollo irregular de los fotones emitidos a lo largo del lado del concentrador, sino que, por el contrario, es constante. Esto da como resultado un valor total de corriente eléctrica que se puede extraer del lado del concentrador que es significativamente mayor que el caso previamente descrito para células solares con dimensiones constantes.
Según otra característica de la invención, el acristalamiento aislante 1 funciona como una “ventana inteligente” autoalimentada. En este caso, tal como se muestra en la figura 12, la energía eléctrica producida por la luz que incide en el concentrador solar luminiscente o LSC 5 se dirige a una batería 81 que está afianzada en el marco del acristalamiento aislante o en el contramarco 80 de una ventana, por medio de una conexión eléctrica 811.
La batería 81 está conectada a las células fotovoltaicas 10 del acristalamiento aislante 1. A la batería 81 se pueden conectar diversos usuarios o dispositivos que pueden tener diversas funciones. Por ejemplo, la batería 81 se puede conectar por medio de un cable eléctrico 83 a un dispositivo electrocrómico 82 que puede oscurecer el acristalamiento aislante, y/o a un dispositivo (motor eléctrico) para el movimiento de una cortina (no mostrada), y/o a un repetidor de Wi-Fi, a luces de LED u otro tipo de dispositivo de iluminación, y/o dispositivos de alarma (que, por ejemplo, estén conectados a la abertura de la ventana, o que sean volumétricos), y/o a un repetidor de Hi-Fi u otros dispositivos eléctricos, por ejemplo, sensores de diversos tipos; todos ellos están situados en el interior o exterior del acristalamiento aislante.
A la batería 81 también se pueden conectar, mediante un cable 87, una toma eléctrica y/o un enchufe de USB 84.
También es posible usar las células 10 para suministrar energía directamente a dichos dispositivos electrónicos, sin necesidad de proporcionar una batería.
Se ha proporcionado una descripción de una forma de realización de la presente invención. Se apreciará que son posibles otras variantes, tales como, aquella que incluye los paneles 4 y 6 y una pluralidad de LSC intermedios 5. Estas soluciones se sitúan también dentro del alcance de la invención según queda definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Acristalamiento aislante (1) que comprende dos paneles (4, 6) que están realizados con material transparente, tal como, material de vidrio o plástico, dispuestos en caras exteriores del acristalamiento aislante (1) y por lo menos un panel intermedio (5) que está situado entre dichos dos paneles (4, 6), cooperando el panel intermedio (5) en unos bordes opuestos (7a , 7C) con por lo menos una unidad espaciadora (17) que lo separa de cada panel adyacente realizado con material transparente (4, 6), comprendiendo la unidad espaciadora (17) dos partes (19, 20) con una forma en configuración de “U” invertida que delimitan un canal (21) en el que está situado un extremo (22) del panel intermedio (5), estando dichas partes (19, 20) con una forma en configuración de “U” invertida interconectadas por una pared (27) que delimita dicho canal (21), comprendiendo dicha unidad espaciadora (17) unos medios (30) que pueden recibir la deformación del panel intermedio, caracterizado por que dicho panel intermedio es un concentrador solar luminiscente (5), siendo el concentrador solar luminiscente (5) deformable en una dirección (H) que es ortogonal a un eje (Z) perpendicular a sus caras con un área mayor, tras una variación de su temperatura y su dilatación térmica, comprendiendo dicha unidad espaciadora (17) unos medios de contacto eléctrico (40) que pueden cooperar por deslizamiento con conectores del concentrador solar luminiscente, estando dichos medios de contacto eléctrico adaptados para conectarse por deslizamiento a un circuito eléctrico en el exterior del acristalamiento aislante.
2. Acristalamiento aislante según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho concentrador solar luminiscente (5) comprende un circuito eléctrico constituido por unas células solares (10) con una dimensión variable, pudiendo dicho circuito eléctrico maximizar la corriente eléctrica que se puede extraer.
3. Acristalamiento aislante según la reivindicación 1, caracterizado por que dichos medios que pueden recibir la deformación del concentrador solar luminiscente comprenden, situado dentro del canal (21) de la unidad espaciadora (17), un elemento compensador (30), que está situado entre dicha pared (27) del canal (21) y dicho extremo (22) del concentrador solar luminiscente (5), siendo dicho elemento flexible, y pudiendo resistir y compensar la deformación del concentrador solar luminiscente (5) con el que está en contacto este elemento.
4. Acristalamiento aislante según la reivindicación 3, caracterizado por que las dos partes (19, 20) de la unidad espaciadora (17) están desconectadas del concentrador solar luminiscente (5).
5. Acristalamiento aislante según la reivindicación 3, caracterizado por que dicho elemento compensador está realizado alternativamente con material plástico, goma o con material de espuma.
6. Acristalamiento aislante según la reivindicación 1, caracterizado por que está conectado a unos dispositivos eléctricos y/o electrónicos, preferentemente por medio de por lo menos una batería (81) que puede acumular la energía producida por el concentrador solar luminiscente (5), y a la cual están conectados directamente dichos dispositivos eléctricos y/o electrónicos, siendo estos dispositivos por lo menos uno de entre unos medios accionadores (84) para una cortina, unos medios electrocromáticos (82), unos dispositivos de alarma o unas tomas de alimentación eléctrica (88).
7. Acristalamiento aislante según la reivindicación 6, caracterizado por que dichos dispositivos eléctricos/electrónicos (82, 84, 88) están asociados a un contramarco (80) del acristalamiento aislante (1).
8. Ventana o puerta vidriera exterior que comprende un acristalamiento aislante según la reivindicación (1).
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