MX2008011145A

MX2008011145A - Colector y concentrador de luz.

Info

Publication number: MX2008011145A
Application number: MX2008011145A
Authority: MX
Inventors: John H Bruning; Joshua M Cobb
Original assignee: Corning Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2008-11-12
Also published as: WO2007100534A1; US20070137691A1; RU2008138538A; KR20090003274A; CA2644551A1; EP1989493A1; JP2009528569A; AU2007221365A1

Abstract

Un aparato para obtener energía radiante de una fuente de energía radiante policromática tiene un separador espectral con una primera superficie curva cóncava hacia la energía radiante incidental y tratada para reflejar una primera banda espectral hacia una primera región focal y transmitir una segunda banda espectral y una segunda superficie curva cóncava hacia la energía radiante incidental que refleja la segunda banda espectral hacia una segunda región focal; la primera y segunda superficies curvas están ópticamente colocadas para que la primera y segunda regiones focales estén separadas una de la otra; existen primer y segundo receptores de luz, en donde el primer receptor de luz está dispuesto más cercano a la primera región focal para recibir la primera banda espectral y el segundo receptor de luz está dispuesto más cercano a la segunda región focal para recibir la segunda banda espectral.

Description

COLECTOR Y CONCENTRADOR DE LUZ REFERENCIA CRUZADA CON LAS SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud de Patente provisional de E.U.A. No. de Serie 60/778080 presentada el 28 de febrero del 2006, titulada "Light collector and concentrator" de Cobb, et al. También se hace referencia a la Solicitud de Patente de E.U.A. No. de Serie 60/751810 presentada el 20 de diciembre del 2005, titulada "method and apparatus for concentrating light" de Cobb, et al.

CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere de manera general a un aparato para recolectar y concentra luz de manera eficiente, y más particularmente se refiere a un aparato que recolecta y separa luz en dos o más bandas de espectro, cada una dirigida hacia un receptor separado.

DECLARACION CON RESPECTO A LA INVESTIGACION O DESARROLLO PATROCINADOS FEDERALMENTE La presente invención fue elaborada con apoyo gubernamental bajo el contrato w911nf -05-9-0005 otorgado por el gobierno. El gobierno tiene derechos sobre la presente invención.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION La recolección y concentración eficientes de la energía radiante son útiles en un número de aplicaciones y es de valor particular para dispositivos que convierte la luz solar en energía eléctrica. Las celdas solares concentradoras hacen posible obtener una cantidad significativa de la energía del sol y concentrar esa energía como calor o para la generación de corriente directa desde un receptor fotovoltaico. Los concentradores de luz a gran escala para obtener la energía solar, normalmente incluyen un grupo de espejos curvos, opuestos, con una disposición de Cassegrain, como un sistema óptico para concentrar la luz en un receptor que es colocado en un punto focal. Como apenas unos pocos ejemplos que emplean el modelo de Cassegrain, la Patente de E.U.A. No. 5,979,438, titulada "Sunlight collecting system" para Nakamura y la Patente de E.U.A. No. 5,005,958 titulada "High flux solar energy transformation" para Winston et al., describen sistemas de energía solar a gran escala que utilizan grupos de espejos primarios y secundarios opuestos. Como un desarrollo más reciente para proporcionar un aparato de recolección más compacto, se han introducido los concentradores planos, tal como aquel descrito en el artículo titulado "Planar concentrators near to etendue limit" por Roland Winston y Jeffrey M. Gordon en Optics letters, Vol. 30, No. 19, pp 2617 a 2619. De manera similar, Los concentradores planos emplean espejos curvos primarios y secundarios con una disposición de Cassegrain, separados por un material óptico dieléctrico, para proporcionar una concentración alta de flujo de luz. La Figura 1 , muestra la disposición de Cassegrain básica para la recolección de luz. Un aparato fotovoltaico 0 con un eje óptico O tiene un espejo primario parabólico 12 y un espejo secundario 14 localizados en o cerca del punto focal del espejo primario 12. Un receptor 16 es entonces colocado en el punto focal de este sistema óptico, en un vértice del espejo primario 12. Un problema reconocido con esta arquitectura, un problema inherente al modelo de Cassegrain, es que el espejo secundario 14 presenta una obstrucción a la luz sobre el eje, de manera que una porción de la luz, nominalmente tanto como aproximadamente el 10%, no alcanza al espejo primario 12, reduciendo la capacidad de acumulación de luz general del aparato fotovoltaico 10. Este oscurecimiento puede ser especialmente grande si la concentración es cilindrica en lugar de simétrica en forma giratoria. La colocación del receptor 16 en el vértice del espejo primario 12, en la trayectoria de la obstrucción presentada por el espejo secundario 14, ayuda de alguna manera a mitigar las pérdidas producidas por la obstrucción. Sin embargo, con una configuración óptica cilindrica, se obtiene de regreso muy poca o ninguna de esta pérdida de obstrucción haciendo ajustes dimensionales, debido a que el tamaño de la obstrucción se escala hacia arriba proporcionalmente con cualquier tamaño incrementado en el diámetro del espejo primario 12. Esto significa que el aumento en el diámetro del espejo más grande no cambia de manera apreciable la pérdida inherente producida por la obstrucción del espejo más pequeño. Algunos tipos de sistemas energía solar operan convirtiendo la energía de luz en calor. En diversos tipos de recolectores de placa planos y concentradores solares, la luz solar concentrada calienta un fluido que se desplaza a través de la celda solar a temperaturas altas para la generación de energía. Un tipo alternativo de mecanismo de conversión solar, que se puede adaptar más para utilizarse con páneles delgados y dispositivos más compactos, utiliza materiales fotovoltaicos (PV) para convertir la luz solar directamente en energía eléctrica. Los materiales fotovoltaicos pueden formarse a partir de varios tipos de silicón y otros materiales semiconductores y son fabricados utilizando técnicas de fabricación de semiconductor y son provistos por un número de fabricantes, tales como Emcore Photovoltaics, Albuquerque, NM, por ejemplo. Mientras que el silicón es menos costos, los materiales fotovoltaicos de mayor desempeño son aleaciones elaboradas a partir de elementos tales como aluminio, galio e indio, junto con elementos tales como nitrógeno y arsénico.

Como es bien sabido, la luz solar es altamente policromática, contiene un contenido espectral distribuido de manera amplia, variando de longitudes de onda ultravioleta (UV), pasando por luz visible, a longitudes de onda infrarrojas (IR), cada longitud de onda tiene un nivel de energía asociado, normalmente expresado en términos de voltios-electrones (eV). De manera no sorpresiva, debido a las características de espacios de banda diferentes entre los materiales, la respuesta a cualquier material fotovoltaico particular depende de la longitud de onda incidente. Los fotones que tienen un nivel de energía debajo del espacio de banda de un material se deslizan a través de éste. Por ejemplo, los fotones de luz roja (nominalmente de aproximadamente 1.9 eV) no son absorbidos por los semiconductores de espacio de banda alto. Mientras que, los fotones que tienen un nivel de energía más alto que el espacio de banda para un material son absorbidos. Por ejemplo, la energía de los fotones de luz violeta (nominalmente de aproximadamente 3 eV) son consumidos como calor en un semiconductor de espacio de banda bajo. Una estrategia para obtener eficiencias mayores de los materiales fotovoltaicos, es formar una celda fotovoltaica apilada, también denominada en algunas ocasiones un dispositivo fotovoltaico de uniones múltiples. Estos dispositivos se forman apilando celdas fotovoltaicas múltiples sobre la parte superior de la otra. Con dicho diseño, cada celda fotovoltaica sucesiva en la pila, con respecto a la fuente de luz incidente, tiene una energía de espacio de banda menor. En un dispositivo fotovoltaico apilado sencillo, por ejemplo, una celda fotovoltaica superior, que consiste de arseniuro de galio (GaAs), captura la energía más alta de la luz azul. Una segunda celda, de antimonio de galio (GaSb), convierte la luz infrarroja de energía inferior en electricidad. Un ejemplo del dispositivo fotovoltaicos apilado se proporciona en la Patente de E.U.A. No. 6,835,888, titulada "Stacked photovoltaic device" para Sano et al. Aunque las celdas fotovoltaicas apiladas pueden proveer alguna medida de mejoramiento en la eficiencia general, estos dispositivos de capas múltiples pueden ser de fabricación costosa. También pueden existir restricciones sobre los tipos de materiales que pueden apilarse juntos en la parte superior uno del otro, dificultando que dicho método demuestre ser económico para un amplio intervalo de aplicaciones. Otro método separa la luz de acuerdo con la longitud de onda en dos o más porciones de espectro, y concentra cada porción en un dispositivo receptor fotovoltaico adecuado, con dos o más receptores fotovoltaicos dispuestos lado a lado. Con este método, la fabricación del dispositivo fotovoltaico es más simple y menos costosa, y se puede considerar el uso de una variedad más amplia de semiconductores. Este tipo de solución requiere soporte óptico tanto para separar la luz en componentes de espectro adecuados como para concentrar cada uno de los componentes de espectro sobre su superficie fotovoltaica correspondiente. Una solución propuesta para separar y concentrar en forma simultánea la luz a una intensidad suficiente se describe en el documento titulado "New Cassegrainian PV module using dichroic secondary and multijunction solar cells" presentado en la Conferencia internacional sobre concentración solar para la generación de electricidad o hidrógeno en mayo del 2005, por L. Fraas, J. Avery, H. Huang y E. Shifman. En el módulo descrito, un espejo primario curvo recolecta la luz y dirige esta luz hacia un espejo secundarios hiperbólico dicroico, cerca del plano focal del espejo primario. La luz IR es concentrada en un primer receptor fotovoltaico cerca del punto focal del espejo primario. El espejo secundario redirige la luz visible cercana a un segundo receptor fotovoltaico colocado cerca de un vértice del espejo primario. De esta forma, cada receptor fotovoltaico obtiene la energía de luz para la cual es optimizado, incrementando la eficiencia general del sistema de celdas solares. Aunque el método mostrado en el documento de Fraas provee de manera ventajosa la separación espectral y concentra la luz utilizando el mismo grupo de componentes ópticos, existen algunas limitaciones significativas a la solución que presenta éste. Un primer problema se relaciona con las pérdidas generales debidas a la obstrucción, como las que se observaron anteriormente. Como otro problema, el aparato descrito por Fraas et al., tiene un campo de visión limitado del cielo debido a que tiene una concentración alta en cada eje debido a su simetría de rotación. Todavía otra desventaja se refiere a los anchos de banda anchos de luz visible provistos a un receptor fotovoltaico único. Con muchos tipos de materiales fotovoltaicos utilizados comúnmente para la luz visible, se podría desperdiciar una cantidad apreciable de energía de luz utilizando dichos método, produciendo posiblemente un calor excesivo. Las superficies dicroicas, tales como las utilizadas para el espejo hiperbólico en la solución propuesta en el documento de Fraas, proveen una separación espectral de la luz utilizando los efectos de interferencia obtenidos a partir de los recubrimientos formados a partir de capas superpuestas múltiples que tienen índices diferentes de refracción y otras características. Durante la operación, los recubrimientos dicroicos reflejan y transmiten la luz como una función del ángulo incidente y longitud de onda. A medida que varía el ángulo incidente, también cambia la longitud de onda de luz que es transmitida o reflejado por una superficie dicroica. En los casos que se utiliza el recubrimiento dicroico con luz incidente a ángulos más allá de +/- 20 grados desde la normal, pueden ocurrir efectos espectrales indeseables, de manera que la separación espectral de luz, debido a las diferencias de longitud de onda, está comprometida a dichos ángulos mayores. Existe un número de soluciones de recolección de luz que emplean superficies dicroicas para la fragmentación espectral. Por ejemplo, en un artículo titulado "Spectral beam splitting technology for increased conversión efficiency in solar concentrating systems: a review", disponible en línea en www.sciencedirect.com, los autores A.G. Imenes y D.R. Mills proveen un estudio de los sistemas de recolección solar, que incluye el uso de algunas superficies dicroicas. Por ejemplo, la descripción de un reflector de torre (Figura 24 en el artículo de Imenes y Mills) muestra una solución propuesta que emplea un separador de rayos dicroico curvo como parte del sistema de recolección óptico. Los ángulos incidentes altos de alguna porción de la luz sobre esta superficie podrían hacer que dicha solución fuera menos que satisfactoria con respecto a la eficiencia de luz. De manera similar, la Patente de E.U.A. No. 4,700,013, titulada "Irbid solar energy generating system" para Soule, describe el uso de una superficie dicroica como un espejo de calor selectivo. Sin embargo, como se observo en el artículo de Imenes citado anteriormente, el método mostrado en la Patente de Soule '013, exhibe pérdidas ópticas sustanciales. Algunas de estas pérdidas se refieren a los ángulos incidentes altos de la luz dirigida al espejo de calor selectivo que se utiliza. Existen problemas inherentes con la forma y colocación de la superficie dicroica para la luz enfocada desde un espejo parabólico. Una superficie dicroica plana colocada cerca de la región focal de un reflector parabólico podría exhibir un desempeño de separación deficiente para muchos diseños, limitando las dimensiones de un sistema de recolección de luz. Una superficie dicroica curva de forma adecuada, tal como una superficie hiperbólica, puede ser colocada en o cerca de la región focal, aunque obstruye una porción de la luz disponible, como se observó anteriormente. Los métodos convencionales para la concentración de luz han sido dirigidos principalmente a los sistemas ópticos simétricos en forma giratoria que utilizan componentes a gran escala. Sin embargo, este método puede no producir soluciones satisfactorias para dispositivos de panel solar menores. Existe una necesidad de un concentrador de luz anamórfico que pueda ser formado sobre un cuerpo transparente y fabricado en un intervalo de tamaños, en donde el diseño del concentrador de luz permite que éste se extienda en una dirección ortogonal a la dirección de su potencia óptica más alta, ya sea extendida linealmente o extendida a lo largo de una curva. Contra los obstáculos, tales como respuesta de superficie dicroica deficiente, los métodos convencionales ha provisto únicamente un número limitado de soluciones para lograrse, al mismo tiempo, tanto la separación espectral buena como la concentración de flujo de luz eficiente de cada componente espectral. El modelo de Cassegrain puede ser optimizado, aunque siempre presenta una obstrucción cercana al punto focal del espejo primario, y por lo tanto tiene una desventaja inherente. Las soluciones que emplean la separación dicroica se realizan mejor en donde los ángulos de luz incidente sobre la superficie dicroica son bajos con respecto a los normales; sin embargo, muchos diseños propuestos no parecen darle consideración suficiente a estas características de separación espectral, que tienen como resultado la separación deficiente o la luz mal dirigida. Por lo tanto, se reconoce que existe una necesidad de una celda fotovoltaica que provee una concentración de luz mejorada, así como también para una celda que provee en forma simultánea tanto separación espectral como concentración de luz, que puede ser escalada fácilmente para utilizarse en un diseño de panel delgado, que puede ser fabricado fácilmente, que provee una eficiencia incrementada sobre las soluciones fotovoltaicas convencionales y que puede operar con un campo de visión substancial en por lo menos un eje a lo largo de la trayectoria transversal de la posición cambiante del sol a través del cielo.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Es un objeto de la presente invención fomentar la materia de recolección de luz y separación espectral. Con este objeto en mente, la presente invención provee un aparato para obtener energía radiante a partir de una fuente de energía radiante policromática, el aparato comprende: a) un separador espectral que comprende: (i) una primera superficie curva cóncava para la energía radiante incidente y tratada para reflejar una primera banda espectral hacia una primera región focal y transmitir una segunda banda espectral: (i¡) una segunda superficie curva cóncava para la energía radiante incidente y tratada para reflejar la segunda banda espectral hacia una segunda región focal; en donde la primera y segunda superficies curvas son colocadas en forma óptica de manera que la primera y segunda regiones focales son separadas una de la otra; y b) primer y segundo receptores de luz; en donde el primer receptor de luz está dispuesto más cerca de la primera región focal para recibir la primera banda espectral y el segundo receptor de luz está dispuesto más cerca de la segunda región focal para recibir la segunda banda espectral. Es una característica de la presente invención que provee tanto separación espectral de la luz en por lo menos dos bandas espectrales como la concentración de cada banda espectral separada sobre un receptor. Es una ventaja de la presente invención que provee un mecanismo eficiente para concentrar la energía radiante en un fotorreceptor. Es una ventaja adicional de la presente invención que reduce las pérdidas a partir de la obstrucción, común a los sistemas que utilizan el modelo de Cassegrain. Es una ventaja adicional del aparato de la presente invención que provee una abertura de recolección grande con respecto a su espesor. Estos y otros objetos, características y ventajas de la presente invención se volverán evidentes para aquellos expertos en la materia al leer la siguiente descripción detallada en conjunto con los dibujos, en donde se muestra y describe una modalidad ilustrativa de la presente invención.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La Figura 1 , es una vista lateral que muestra una disposición de Cassegrain convencional para la recolección de luz.

La Figura 2, es una vista lateral de un reflector parabólico doble en un concentrador de luz de acuerdo con la presente invención. La Figura 3, es una vista lateral que muestra la reflexión de luz desde una primera superficie del reflector parabólico. La Figura 4, es una vista lateral que muestra la reflexión de luz desde una segunda superficie del reflector parabólico. La Figura 5, es una vista lateral que muestra los ejes ópticos y desconcentración de la primera y segunda superficies del reflector parabólico doble. La Figura 6, es una vista lateral que muestra la separación de banda espectral mediante primera y segunda superficies del reflector parabólico doble. La Figura 7, es una vista lateral en sección transversal de una modalidad alternativa con una superficie frontal dispersiva. La Figura 8, es una vista en perspectiva que muestra el reflector parabólico doble de un concentrador de luz en una disposición cilindrica. Las Figuras 9A, 9B y 9C, son vistas planas de la luz dirigida a un receptor fotovoltaico del concentrador de luz a diversos ángulos. La Figura 10, es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa que tiene adicionalmente una potencia óptica en una dirección ortogonal.

Las Figuras 11 A y 11 B, son vistas lateral y superior, respectivamente, de una modalidad alternativa, que tiene adicionalmente una potencia óptica en una dirección ortogonal. Las Figuras 12A y 12B son vistas frontal y posterior en perspectiva, respectivamente, de los reflectores parabólicos de pares dobles en una disposición cilindrica La Figura 13, es una vista en perspectiva posterior de una porción de un arreglo de reflectores parabólicos de pares dobles en una disposición cilindrica. La Figura 14, es una vista en perspectiva de un arreglo de concentradores de luz en una modalidad. La Figura 15, es una vista lateral que muestra la luz mal dirigida que se puede perder en una modalidad. La Figura 16, es una vista lateral que muestra la luz mal dirigida, una porción de la cual se puede perder en una modalidad. Las Figuras 17A, 17B y 17C, son vistas en perspectiva posteriores que muestran un comportamiento de manejo de luz del concentrador de luz de la presente invención en una modalidad cilindrica, para luz incidente en ángulos diferentes. La Figura 18, es un diagrama esquemático en perspectiva que muestra un aparato de energía solar, con rastreo para adaptarse a la posición cambiante de la fuente de radiación.

La Figura 19, es una vista en perspectiva de una modalidad alternativa que tiene adicionalmente una potencia óptica en una dirección ortogonal con un receptor único.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La presente invención provee un concentrador de luz que provee buena separación espectral mejorada y un grado alto de concentración de flujo de luz, que excede las capacidades soportadas por los métodos anteriores. El concentrador de luz de la presente invención se puede utilizar como un componente óptico de una celda fotovoltaica, representado ya sea como una celda integral o como parte de un arreglo de celdas fotovoltaicas. Las Figuras referidas en la presente descripción ilustran los conceptos generales y las estructuras y componentes clave del aparato de la presente invención. Estas figuras no se dibujaron a escala y pueden exagerar las dimensiones y colocación relativa de los componentes con el objeto de lograr claridad. Las bandas espectrales descritas en la presente, se proporcionan a modo de ejemplo y no de limitación. Como es bien conocido, la concentración de luz que se obtiene mediante un sistema óptico específico, depende de su geometría general. Por ejemplo, un reflector paraboloide simétrico en forma giratoria podría dirigir idealmente la luz a un "punto focal". Un reflector parabólico cilindrico, que tiene una potencia óptica a lo largo de únicamente un eje, idealmente podría dirigir la luz a una "línea focal". Sin embargo, como es familiar para aquellos expertos en la fabricación óptica, únicamente una aproximación razonable a dichas formas geométricas idealizadas se puede lograr en la práctica, y ni un punto focal perfecto, ni una línea focal perfecta se pueden lograr o son necesarios para la concentración de luz eficiente. Por lo tanto, en lugar de utilizar la terminología idealizada de "punto focal" o "línea focal", la descripción y reivindicaciones de la presente invención emplean el término más generalizado de "región focal". En la descripción subsiguiente, la región focal para una estructura óptica es considerada ser la zona espacial o vecindad para la concentración de luz más alta a partir de aquella estructura. La vista lateral en sección transversal de la Figura 2, muestra un concentrador de luz 30 para obtener energía radiante del sol 80 u otra fuente de luz policromática. Un reflector parabólico doble 20 sirve las funciones de recolección, concentración y separación espectral de luz, que tiene un interior o primera superficie de reflexión curva cóncava 32 y un exterior o superficie de reflexión curva cóncava 34. Tanto la primera como la segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 son substancialmente parabólicas en la sección transversal a lo largo de por lo menos un eje, y están dispuestas de manera que la luz reflejada desde cada superficie de reflexión curva se concentra alrededor de una región espacial diferente. En la modalidad mostrada en las Figuras 2 a 19, el concentrador de luz 30 puede formarse en o dentro de un cuerpo 26 de un material óptico generalmente transparente, tal como vidrio u otro tipo de polímero óptico, tal como un plástico. Los rayos R de la luz policromática, tales como la luz del sol u otra radiación altamente policromática, son incidentes sobre una superficie frontal 28. La superficie frontal 28 puede ser una superficie tratada, tal como una superficie recubierta, o puede ser caracterizada, tal como teniendo una curvatura o teniendo una lente Fresnel u otra lente formada o fija a la misma como una característica de refracción, por ejemplo. El concentrador de luz 30 puede considerarse como un aparato que combina dos sistemas ópticos diferentes. La vista lateral de las secciones transversales en las Figuras 3 y 4, muestran el comportamiento de separación de luz de cada uno de los sistemas ópticos respectivos del reflector parabólico doble 20. Haciendo referencia primero a la Figura 3, el interior o primera superficie de reflexión curva 32, cóncava a la energía radiante incidente, tiene un recubrimiento dicroico que refleja una banda espectral de la luz incidente a un primer receptor de luz 22, tal como un receptor fotovoltaico (PV) localizado en o cerca de la región focal f1 de la primera superficie de reflexión curva 32. En una modalidad, la primera superficie de reflexión curva 32 refleja longitudes de onda más cortas, que incluyen luz visible y ultravioleta (IV) al primer receptor de luz 22. Las longitudes de onda más largas, que incluyen a la luz infrarroja (IR) y cercana a la infrarroja son transmitidas a través de la primera superficie de reflexión curva 32. Como se muestra en la Figura 4, el exterior o segunda superficie de reflexión curva 34, también cóncava a la energía radiante incidente, refleja la luz incidente hacia un segundo receptor de luz 24 localizado en o cerca de la región focal f2 de la segunda superficie de reflexión curva 34. En esta modalidad, una segunda superficie de reflexión curva 34 actúa como un espejo, que refleja la luz que se transmitió a través de la primera superficie de reflexión curva 32, es decir, la mayor parte de la luz infrarroja (IR) y cercana a la luz infrarroja. Con el objeto de explicar mejor cómo opera el reflector parabólico doble 20 como un separador espectral, es útil describir cómo la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 pueden ser dispuestas en un ensamble único en una modalidad típica. La vista lateral de la Figura 5, muestra algunas características geométricas y de dimensión importantes del reflector parabólico doble 20 en una modalidad desconcentrada. Como es familiar para aquellos expertos en las artes ópticas, una superficie de reflexión que es parabólica en un plano, tiene un eje óptico en ese plano y dirige los rayos axiales incidentes hacia un punto focal que reside en el eje óptico. En el reflector parabólico doble 20, el eje óptico 01 es el eje óptico de la primera superficie de reflexión curva 32 en el plano de la vista en sección transversal mostrada. El eje óptico 02, que corresponde a la segunda superficie de reflexión curva 34, generalmente es paralelo al eje óptico 01 en esta modalidad desconcentrada, aunque no es colindar con éste. Es decir, los ejes 01 y 02 no son colineales en esta modalidad. Esto significa que alguna distancia que no es cero d, separa los ejes 01 y 02. La primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 son entonces desconcentradas en forma óptica con sus puntos focales respectivos, representados dentro de las regiones focales f 1 y f2 en la vista en sección transversal de la Figura 5, separados por la distancia d. Esta distancia d, preferentemente es igual a la distancia de separación de centro a centro entre los receptores de luz 22 y 24, los cuales son colocados en regiones focales f1 y f2, respectivamente. Con respecto una con la otra, el primer y segundo receptores de luz 22 y 24 están dispuestos de manera que el primer receptor de luz 22 está dispuesto más cerca de la región focal f1 de la primera superficie de reflexión curva 32 y el segundo receptor de luz 24 está dispuesto más cerca de la segunda región focal f2 de la segunda superficie de reflexión curva 34. Se debe observar que la desconcentración de la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34, es una modalidad posible y puede ser beneficiada de su capacidad de ser fabricada o por otras razones. Sin embargo, el requerimiento más generalizado de la presente invención es que la primera y segunda superficies de reflexión curva 32 y 34 sean dispuestas mutuamente de alguna forma de manera que exista una distancia diferente de cero entre las regiones focales f1 y f2. Haciendo referencia a la Figura 5, los ejes ópticos 01 y 02 pueden estar en paralelo y no ser colineales, como se muestra. De manera alternativa, los ejes ópticos 01 y 02 podrían ser no paralelos, en donde la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 son inclinadas con respecto una con la otra de alguna manera. Como todavía otra alternativa, los ejes ópticos 01 y 02 podrían incluso ser colineales, con regiones focales f1 y f2 dispuestas en posiciones diferentes a lo largo de los ejes compartidos comúnmente. Dicha disposición colindar, aunque es posible, podría no ser benéfica para la recolección de luz, debido a que podría existir de manera inevitable ser ensombrecido de la luz que es dirigida hacia el receptor de luz adicional. Una característica importante del reflector parabólico doble 20 se refiere a los tratamientos de reflexión mismos. La primera superficie de reflexión curva 32 tiene un recubrimiento dicroico en una modalidad de manera que refleja en forma selectiva una banda espectral y transmite otra. En la modalidad descrita al hacer referencia a las Figuras 2 a 5, el recubrimiento dicroico de la primera superficie de reflexión curva 32 está formulado para transmitir una porción de longitudes de onda de roja visible, cercanas a IR, nominalmente más largas de aproximadamente 650 nm. Por lo tanto, una banda espectral de longitud de onda más corta es dirigida hacia el receptor de luz 22 que está colocado cerca de la región focal f1. El recubrimiento de reflexión sobre la superficie exterior o segunda superficie de reflexión curva 34 es un espejo en esta modalidad y puede ser un recubrimiento metálico, tal como aluminio o aleaciones similares, o también puede ser un recubrimiento dicroico u otro tratamiento adecuado. Los recubrimientos dicroicos son particularmente benéficos para eficiencia alta. Como será claramente evidente para aquellos expertos en la materia óptica, son posibles los arreglos alternativos, tales como un recubrimiento dicroico que es tratado para transmitir la luz visible y longitudes de onda más cortas a través de la piedra de reflexión curva 32 y para reflejar la luz IR, por ejemplo, con un recubrimiento reflector tratado para reflejar las longitudes de onda visibles de la segunda superficie de reflexión curva 34. Esto es instructivo para observar que la luz preferentemente incidente sobre la primera superficie de reflexión curva 32 en ángulos que son relativamente cercanos a lo normal. Cuando se utiliza un recubrimiento dicroico, esta disposición provee el mejor desempeño dicroico. En este sentido, el aparato de la presente invención se beneficia sobre otros tipos de separadores de luz que utilizan superficies dicroicas aunque dirigen la luz incidente hacia estas superficies en ángulos mayores. Debido a que la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 pueden ser desconcentradas, inclinadas o dispuestas de otra forma de manera no simétrica, la distancia entre estas superficies respectivas, tomada en una dirección paralela a los ejes ópticos 01 , 02, puede variar de la parte superior a la parte inferior del reflector parabólico doble 20. Haciendo referencia a la modalidad de la Figura 5, por ejemplo, el espesor f1 es menor que el espesor f2. Esta diferencia en el espesor debe tomarse en cuenta cuando se apilan reflectores parabólicos dobles múltiples 20 en una disposición de arreglo, como se describe con mayor detalla en forma subsiguiente. La vista lateral en sección transversal de la Figura 6, resume, para un rayo incidente simple R, cómo actúa el reflector parabólico doble 20 como un separador espectral. El rayo R es un rayo policromático, tal como un rayo de luz solar, que tiene un intervalo de longitudes de onda. Las longitudes de onda más cortas, tales como la luz visible, se reflejan desde el interior o la primera superficie de reflexión curva 32 hacia el primer receptor de luz 22 en la región focal f 1 ; las longitudes de onda más largas, tales como la luz cercana a IR e IE, son reflejadas desde la segunda superficie de reflexión curva 34 hacia el segundo receptor de luz 24 en la región focal f2. Es importante observar que el cuerpo 26 tiene algún índice de refracción n en las modalidades de las Figuras 2 a 6. En las modalidades que utilizan el cuerpo 26 como las que se describen en la presente, este mismo índice de refracción n coincide, o casi coincide, el índice de refracción del material que reside entre la primera y segunda superficies de reflexión cuervas 32 y 34. Esta disposición se beneficia de reducir al mínimo los efectos no deseados, tales como la refracción en la superficie curva 32 y otros problemas posibles que podrían resultar cuando se utilizan materiales que tienen índices de refracción diferentes. Por razones similares, los adhesivos ópticos u otros materiales que unen a los receptores de luz 22 y 24 al cuerpo 26 también exhiben los mismos, o casi los mismos, índices de refracción n. Sin embargo, se debe observar que son posibles otras disposiciones, incluyendo las configuraciones en donde un material emparedado entre la presente invención primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 tiene un índice de refracción diferente que otro material del cuerpo 26. De manera alternativa, la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 se pueden separar mediante el aire. El aire también puede residir entre los receptores 22, 24 y la primera superficie curva 32.

El concentrador de luz 30 puede ser representado con la primera y la segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 que tienen una forma paraboloide, es decir, con cada superficie simétrica en forma rotacional alrededor de su eje. Una modalidad de este tipo puede utilizar el cuerpo 26, o puede estar en el aire, o puede utilizar alguna combinación de materiales transparentes para el cuerpo 26 y la separación en el aire. De manera alternativa, el concentrador de luz 30 puede ser representado con primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34 que tienen una forma anamórfica, es decir, que tiene una curvatura en el plano YZ y una curvatura diferente en el plano XZ. Para las modalidades simétricas en forma giratoria, modalidades cilindricas o modalidades anamórficas, se puede utilizar el aire entre el interior o la primera superficie de reflexión curva 32 y receptores de luz 22, 24 con material transparente utilizado entre la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34. De manera alternativa, el material de cuerpo transparente 26 podría utilizarse entre el interior o primera superficie de reflexión curva 32 y los receptores de luz 22, 24 con aire entre la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34.

Modalidades alternativas con superficie frontal dispersiva El reflector parabólico doble descrito con referencia a las Figuras 2 a 6, puede también utilizarse en combinación con otros mecanismos para la separación espectral. En la modalidad alternativa de la Figura 7, el concentrador de luz 30 separa la radiación policromática incidente entre tres bandas espectrales, dirigiendo cada banda espectral a un receptor adecuado 22, 23 ó 24. En este punto, la superficie frontal 28 tiene un prisma 36 u otro tipo adecuado de elemento dispersivo en la trayectoria de radiación incidente en la superficie frontal 28. Como es bien sabido por los expertos en la materia óptica, el ángulo de refracción por un prisma es una función de longitud de onda. En la mayoría de los materiales ópticos, las longitudes de onda más cortas experimentan una redirección angular mayor en la refracción de prisma de lo que experimentan las longitudes de onda más largas. Por lo tanto, por ejemplo, la luz azul tiene un ángulo de refracción relativamente alto; las longitudes de onda rojas e IR más largas, por otra parte, tienen ángulos de refracción relativamente bajos. La dispersión refractiva de un material óptico es una medida de la diferencia en refracción entre dos longitudes de onda. En la Figura 7, el prisma 36 reside en la trayectoria de la radiación incidente como la que se muestra mediante el rayo R y las condiciones e la radiación incidente proporcionando una cantidad de dispersión, que forma una energía radiante policromática incidente dispersa. La porción de luz visible que tiene longitudes de onda más cortas (que incluye, por ejemplo, luz azul de aproximadamente 480 nm), refractada a un ángulo mayor, es entonces dirigida por la primera superficie de reflexión curva 32 a un tercer receptor de luz 23. Esa porción de luz visible que tiene longitudes de onda más largas (que incluyen, por ejemplo, luz naranja de aproximadamente 620 nm) es refractada a un ángulo menor mediante un prisma 36 y es dirigida por la primera superficie de reflexión curva 32 a un primer receptor de luz 22. En esta forma, la primera superficie de reflexión curva 32 refleja las mismas longitudes de onda que en la Figura modalidad de la Figura 6, aunque provee de manera efectiva dos bandas espectrales de esta luz reflejada, dirigiendo una banda espectral al primer receptor de luz 22 y la otra banda espectral al tercer receptor de luz 23. La luz IR, la cual experimenta un cambio angular muy pequeño debido a la dispersión, es reflejado nuevamente desde la segunda superficie de reflexión curva 34 y va al segundo receptor de luz 24. Utilizando esta disposición dispersiva, los receptores de luz 22 y 23 son colocados lo más cerca de la región focal de la primera superficie de reflexión curva 32, mientras que el receptor de luz 24 es colocado más cerca de la región focal de la segunda superficie de reflexión curva 34. El prisma 36 puede ser unido al cuerpo 26 o de otra forma ser acoplado en forma óptica en la trayectoria de la luz incidente. Opcionalmente, el prisma 36 puede formarse en la superficie frontal 28, de manera que la superficie frontal 28 es inclinada o caracterizada de otra forma para proveer un efecto de prisma. El prisma 36 puede alternativamente ser un grupo de elementos dispersivos, extendidos a lo largo de la dirección x de acuerdo con el sistema de coordenadas de la Figura 7, en donde x es normal para la página. Otros tipos de elementos de dispersión pueden utilizarse de manera alternativa para proveer la dispersión necesaria de la luz incidente.

Modalidades cilindricas Haciendo referencia a la Figura 8, se muestra una vista en perspectiva de una porción del concentrador de luz 30 en una modalidad cilindrica. En este punto, el concentrador de luz 30 tiene potencia óptica a lo largo de un eje en el plano z-y, extendiéndose a lo largo de la dirección x, aunque puede no tener potencia óptica en el plano x-z. Los ejes ópticos en sección transversal O1 y 02 para el concentrador de luz 30, generalmente son paralelos a las coordenadas del eje z en la modalidad mostrada. Las regiones focales f1 y f2 son lineales, extendiéndose longitudinalmente a lo largo de la estructura cilindrica. Una ventaja significativa del concentrador de luz 30 puede observarse desde la vista en perspectiva de la Figura 8. El oscurecimiento que presentan los receptores de luz 22 y 24 es relativamente muy pequeña, particularmente, cuando se compara contra el obscurecimiento presentado por las disposiciones de Cassegrain convencionales descritas al hacer referencia a la Figura 1. En las modalidades de energía solar, la altura de la imagen enfocada en cada una de las regiones focales f1 y f2, es el diámetro relativo de la imagen del disco solar, el cual, cuando se observa desde la tierra, tiene un diámetro angular medio de únicamente aproximadamente .0092 radianes, un alcance angular de aproximadamente 0.5 grados. Por lo tanto, la altura total de la imagen formada de las regiones focales f1 y f2 es nominalmente dos veces la altura enfocada del disco solar, todavía una dimensión relativamente pequeña. Además, la abertura efectiva del concentrador de luz 30 puede ser incrementada escalando o incrementando el alcance parabólico de la primera y segunda superficies de reflexión curvas 32 y 34. Por lo tanto, una abertura grande con respecto al espesor general puede obtenerse utilizando el aparato y métodos de la presente invención. Una ventaja del tamaño de imagen pequeña que se forma en las regiones focales f1 y f2 se refiere al tamaño relativo de los receptores de luz 22 y 24. Las Figuras 9A, 9B y 9C, muestran vistas planas aumentadas de un receptor de luz 22 que recibe una banda de luz 38 cuando se utiliza la modalidad cilindrica del concentrador de luz 30. El receptor de luz 22 puede ser dimensionado de manera que es más ancho que el espesor de banda de luz 38 producido por la óptica del concentrador de luz 30. Esto podría permitir cierta tolerancia para dirigir el error, como se muestra en las Figuras 9B y 9C, en donde la alineación imperfecta con radiación del sol u otra fuente todavía permite que se obtenga cierta cantidad de energía de luz. Desde luego, podría haber determinada penalización en términos de obscurecimiento si el receptor de luz 22 fuera incrementado en tamaño. Sin embargo, dicha desventaja podría ser compensada por las tolerancias de alineación relajadas. También podrían existir ventajas para las modalidades que tienen potencia óptica a lo largo de más de un eje ortogonal. Haciendo referencia a la Figura 10, se muestra una vista en perspectiva de una modalidad del recolector de luz anamórfica 30 con la potencia óptica a lo largo de dos ejes ortogonales y con separación espectral utilizando un reflector parabólico doble 20. La Figura 1 1 A, muestra una vista en sección transversal de esta modalidad con la separación de banda espectral para cada uno de los receptores de luz 22 y 24; la Figura 11 B proporciona una vista superior que muestra la concentración de luz con respecto a la longitud de la estructura cilindrica (a lo largo del eje x). Utilizando las designaciones de ejes de coordenadas provistos en la Figura 10, esta modalidad tiene una potencia óptica con respecto al eje y, es decir, en el plano y-z de su sección transversal parabólica. Adicionalmente, esta modalidad tiene determinada potencia óptica a lo largo de la dirección del eje x, es decir, en el plano x-z. La condensación de la potencia óptica a lo largo de la dirección del eje x se puede obtener formando una superficie frontal 28 convexa en correspondencia con respecto a los rayos de luz incidentes R. De manera alternativa, la potencia óptica en el plano x-z puede obtenerse mediante el empleo de una estructura de lente Fresnel sobre la superficie 28, como se muestra dentro del área A en la Figura 0. Todavía otra forma de emplear la potencia en la dirección del eje x podría ser la aplicación de una curvatura a las superficies parabólicas en el plano x-z haciéndolo de esta manera anamórfico. Los trazos de rayos representativos dibujados en las Figuras 10 y 11 B muestran la ventaja que se logra con la adición de potencia óptica a lo largo del eje x. Como una ventaja notable, los receptores de luz 22 y 24 pueden reducirse de manera significativa en el tamaño general de aquellos mostrados en la modalidad cilindrica de la Figura 8, provocando de esta manera menos obstrucción proporcional de la luz incidente. La conexión eléctrica puede ser elaborada para los receptores 22 y 24 en un número de formas, que incluye un electrodo que se extiende a lo largo de únicamente una parte de la faceta frontal 28. La conexión eléctrica también puede ser elaborada internamente o a través de la superficie curva, con obstrucción mínima, como se describe de manera subsiguiente. Otra ventaja significativa de las modalidades tales como las que se muestran en la Figura 10, que tiene determinada potencia en el plano x-z, se refiere a los intercambios de tolerancia cuando se rastrea la posición relativa del sol, como se describe a continuación.

Modalidades de arreglo El diseño del concentrador de luz cilindrico 30 es particularmente bien adecuado para modalidades de arreglo. Por raciones relacionadas en gran medida con la capacidad de ser fabricados, la disposición con patrón de los concentradores de luz en pares 30 mostrada en las Figuras 12A y 12B es particularmente benéfica. Como se describió al hacer referencia a la modalidad desconcentrada de la Figura 5, los espesores t1 y t2 en los bordes superior e inferior opuestos del reflector parabólico doble 20 pueden ser diferentes. Por esta razón, puede ser ventajoso fabricar concentradores de luz 30 en pares, de manera que la intersección entre los concentradores de luz adyacentes 30 tiene espesores coincidentes de sus reflectores parabólicos dobles correspondientes 20. Como se muestra en las Figuras 12A y 12B, esto significa que un concentrador de luz 30 es girado sobre sí mismo, de manera es que es reflejado verticalmente con respecto uno del otro. En la modalidad mostrada, los concentradores de luz adyacentes en pares 30 son dispuestos de manera que los espesores t2 son adyacentes. Esto significa que el primer y segundo receptores de luz 22 y 24 también tienen un patrón particular. En la disposición mostrada, el primer receptor de luz 22 recibe luz visible (V), el segundo receptor de luz 24 recibe luz IR (i). Por lo tanto, la disposición tiene el patrón V-l-l-V para los concentradores de luz en pares 30 de las Figuras 12A y 12B. La vista en perspectiva de la Figura 13 muestra una porción de un arreglo 40 de concentradores de luz 30, con tres pares, P1 , P2 y P3, con el tipo de luz dirigida a los receptores de luz 22 y 24 representada nuevamente por V-l-l-V-V-l-l-V-V-l-l-V. Desde luego, aunque la disposición mostrada en las Figuras 12A y 12B y 13 es benéfica para la fabricación de un arreglo 40 en esta modalidad, se podrían utilizar patrones alternos. El arreglo 40 puede de esta manera formarse a partir de dos o más segmentos cilindricos de concentradores de luz 30 de longitud variable, según sea necesario en la aplicación individual. Un arreglo también se puede formar utilizando una o más filas de concentradores de luz simétrica en forma giratoria 30. La Figura 14, muestra una modalidad de arreglo 40 con filas múltiples de concentradores de luz 30 del tipo simétrico en forma giratoria. Se puede observar que uno o más electrodos de conexión 44 se extienden para cada concentrador de luz 30. Para reducir al mínimo la cantidad de obstrucción adicional debida a los electrodos 44, la modalidad de la Figura 14 tiene electrodos 44 que se extienden en cada concentrador de luz 30 desde el lado opuesto del sol u otra fuente de energía radiante. Como se describió anteriormente, esta porción del concentrador de luz 30 tiene la obstrucción que presentan los receptores de luz 22 y 24. Dependiendo de la geometría del diseño utilizada para el arreglo 40, la disposición simétrica en forma giratoria de los concentradores de luz 30 también puede ser desfavorecida debido a un factor de llenado reducido. El empaque de los concentradores de luz 30 en "panal" u otras disposiciones de diseño puede ayudar a aliviar la pérdida del factor de llenado. Las modificaciones a una forma simétrica en forma giratoria para las superficies curvas de reflexión también pueden ayudar a aliviar esta deficiencia del factor de llenado, aunque resulta que las formas modificadas pueden no proporcionar las ventajas completas de la concentración de luz desde un paraboloide de reflexión. El concentrador de luz 30 provee un sistema altamente eficiente para obtener energía radiante. Sin embargo, como la mayor parte de los dispositivos utilizados como recolectores de luz solar, existen algunas limitaciones relacionadas con el ángulo de luz. Haciendo referencia a la vista lateral de la Figura 15, la luz incidente en ángulos mayores se puede reflejar lejos del receptor de luz 24 en la región focal f2. En este punto, la luz en el ángulo T está a un ángulo alto con respecto al eje óptico O2 y tiene como resultado cierta cantidad de cola. Para hacer más eficiente el uso de la luz solar, por ejemplo, el eje óptico debe ser dirigido hacia el sol. Los aparatos de rastreo, descritos en forma subsiguiente, pueden utilizarse para mejorar la eficiente, alineando en forma adecuada el concentrador de luz 30.

La vista lateral de la Figura 16, muestra otras causas posibles para la pérdida de energía. Determinada cantidad de reflexión Fresnel en la superficie frontal 28 y absorción dentro del cuerpo 26 pueden tomarse en cuenta para pérdida de eficiencia. Adicionalmente, aún cuando las superficies dicroicas son altamente eficientes, ocurrirá cierto porcentaje pequeño de filtración. Por consiguiente, por ejemplo, alguna cantidad pequeña de luz visible es transmitida a través del recubrimiento dicroico de la primera superficie de reflexión curva 32. Mucha de esta luz mal dirigida puede permanecer "atrapada" entre la segunda y tercera superficies de reflexión curvas 32, 34. Cierta porción de esta luz puede ser transmitida de regreso a través de la superficie de reflexión curva 32; sin embargo, esta luz probablemente será dirigida al receptor de luz equivocado 24 o dirigida lejos de cualquiera de los receptores de luz 22 ó 24.

Modalidades de concentrador de luz anamórfico Para algunas aplicaciones, tales como en donde se utilizan los dispositivos fotovoltaicos apilados, la separación espectral puede no ser un requerimiento. La vista en perspectiva de la Figura 19, muestra un concentrador de luz anamórfico 50 en una modalidad en la cual el cuerpo 26 tiene un receptor de luz único 22 y una superficie de reflexión curvas 52, cóncava con respecto a la luz incidente. En esta modalidad, la superficie de reflexión 52 tiene potencia óptica en el plano y-z y la superficie frontal 28 tiene potencia óptica en el plano ortogonal x-z. La potencia óptica en el plano x-z puede ser provista por la estructura de lente Fresnel, como se muestra en el área A, o mediante la curvatura de la superficie frontal 28. Los rayos R de esta manera son dirigidos hacia el receptor de luz 22, dispuesto cerca de la región focal de la superficie de reflexión curva 52. Esta disposición provee concentración de luz anamórfica mejorada, sin la separación espectral agregada descrita al hacer referencia a la Figura 10. Esto permite una disposición de los concentradores de luz 50 que se extienden linealmente, aunque no requieren una disposición lineal de los componentes del receptor de luz mostrada, por ejemplo, en las modalidades de las Figuras 8, 12A y 12B. Por lo tanto, los receptores 22 pueden ser separados periódicamente a lo largo de cada fila del concentrador de luz 50 en lugar de ser extendidos en forma continua.

Orientación con respecto a la fuente de radiación Como se describió al hacer referencia a la Figura 15, con el objeto de obtener y concentrar de manera eficiente la luz del sol 80 u otra fuente de radiación, es importante que el concentrador de luz 30 sea orientado en forma adecuada con respecto a la fuente. Con un sistema diferenciado, tal como en donde el cuerpo 26 está en la forma de un dispositivo simétrico en forma giratoria que tiene ejes ópticos paralelos cercanos O1 , O2, la eficiencia de recolección de luz es optimizada alineando simplemente estos ejes ópticos hacia el sol 80 u otra fuente de radiación. Con una modalidad cilindrica, sin embargo, la orientación del dispositivo puede ser más benevolente a lo largo del eje Este-Oeste. La orientación Norte-Sur-Este-Oeste (abreviada N, S, E, W) de este componente afecta directamente su capacidad para obtener y concentrar la energía radiante. Para referencia, la orientación N, S, E, W se muestra en relación con el mapeo de coordenadas xyz utilizado en la descripción precedente. Las vistas en perspectiva de las Figuras 17A, 17B y 17C, muestran la conducta de recolección de luz del concentrador de luz 30 en una modalidad cilindrica, en relación con la dirección E-W y N-S de la fuente de radiación. En la Figura 17A, el eje cilindrico C del concentrador de luz 30 generalmente está alineado en paralelo con un eje E-W. Cuando es orientado en forma óptima hacia el sol 80 u otra fuente de radiación, el concentrador de luz 30 obtiene la cantidad óptima de luz a lo largo de la longitud completa de sus receptores de luz 22 y 24. La Figura 17B, muestra lo que ocurre cuando el recolector de luz 30 ya no es orientado en forma óptima con respecto al eje E-W. Únicamente una longitud parcial de los receptores de luz 22 y 24 recibe la luz enfocada. Una porción 42 puede perderse. Sin embargo, una cantidad substancial de la luz todavía es incidente sobre los receptores de luz 22 y 24. Por lo tanto, el concentrador de luz 30 funciona, a cierto nivel de eficiencia, sobre un campo bastante extenso de visión en la dirección E-W. La vista en perspectiva de la Figura 17C, muestra la conducta del concentrador de luz 30 si no está orientado en forma adecuada en relación con el eje N-S. Cuando está inclinado de manera imprecisa alrededor de su eje cilindrico C, el recolector de luz 30 puede permitir determinado "escape" de luz en la dirección vertical, más extremo que aquel que se muestra en la Figura 9C. Como se describió al hacer referencia a la Figura 15, un ángulo extremo puede ser desfavorable, de manera que las bandas espectrales adecuadas no son dirigidas a sus receptores de luz correspondientes 22, 24. Se puede observar que la modalidad mostrada en las Figuras 10, 11A y 11 B, en las cuales el concentrador de luz tiene potencia óptica en la dirección x, puede se elaborado de manera inherente más benevolente para el rastreo de error de sol N-S, debido a que los receptores de luz 22 y 24 pueden elaborarse más grandes con respecto a la dirección y como se muestra en la Figura 10. Sin embargo, esto es a costo de algunas medidas de las tolerancias de rastreo E-W, debido a que ahora la luz en la dirección ortogonal está concentrada en los receptores 22 y 24. La orientación deficiente a lo largo de la dirección E-W puede provocar un "escape" que está en una dirección ortogonal a aquella descrita al hacer referencia a la Figura 9C. Los sistemas de rastreo solares y los métodos son bien conocidos y pueden adaptarse fácilmente al uso del recolector de luz 30, ya sea en una forma diferenciada o en forma de arreglo. La Figura 18, muestra un sistema de energía solar 70 de acuerdo con la presente invención. Uno o más aparatos de concentración de energía radiante 60 están dispuestos y diseñados para rastrear el sol 80. Un activador de rastreo 64 es controlador por un procesador de lógica de control 62 para orientar en forma adecuada el aparato de concentración de energía radiante 60, a media que cambia la posición E-W del sol en relación con la tierra 66 a través de todo el día, así como también para hacer ajustes menores necesarios para la orientación N-S adecuada. El procesador lógico de control 62 puede ser una computadora o un aparato de control basado en un microprocesador dedicado, por ejemplo,. El procesador lógico de control 62 puede detectar la posición, midiendo la cantidad relativa de corriente eléctrica obtenida en una posición, u obteniendo alguna otra señal adecuada. En respuesta a esta señal que es indicativa de la posición, el procesador lógico de control 62 provee entonces una señal de control para instruir al activador de rastreo 64 para realizar los ajustes de posición en consecuencia.

Fabricación El concentrador de luz 30 puede ser formado como una unidad diferenciada o como un componente cilindrico como parte de un arreglo, como se mostró en el arreglo 40 en la Figura 13. En una modalidad de arreglo, una pluralidad de concentradores de luz 30 es ensamblada uno junto al otro, utilizando de manera opcional la disposición de pares de concentradores de luz 30, descritos al hacer referencia a las Figuras 12A y 12B. La fabricación continua de por lo menos una porción del concentrador de luz 30 se puede realizar utilizando extrusión. En una modalidad de arreglo, un procedimiento de extrusión forma una hoja estriada, con longitudes paralelas de los reflectores parabólicos dobles 20 alineados a lo largo de la hoja. Los recubrimientos ópticos adecuados son entonces aplicados sobre las superficies curvas en cada lado de la hoja. La hoja preparada se fija entonces a un sustrato que utilizan un epoxi y otro adhesivo adecuado, con las burbujas de aire eliminadas en el procedimiento de unión. Los índices de refracción de los componentes diferentes y los adhesivos utilizados se hacen coincidir de manera cercana en una modalidad. Para permitir el acoplamiento óptico y reducir al mínimo los efectos de la reflexión interna total (TIR), los receptores de luz 22 y 24 son inmersos en forma óptica o acoplados en forma óptica al cuerpo 26 utilizando un material óptico, tal como un adhesivo óptico, tal como un índice de refracción que es cercano a aquel del cuerpo 26. Los lados de reflexión en los extremos opuestos de la estructura cilindrica (no mostrados en la Figura 2, aunque paralelos al plano de la página en esta vista en sección transversal) ayudan a evitar la filtración de luz del concentrador de luz 30 en las direcciones ortogonales a la página. Su profundidad relativamente estrecha permite al concentrador de luz 30 ser escalado en forma adecuada para utilizar en un diseño de panel delgado. En una modalidad de arreglo de panel delgado, por ejemplo, las dimensiones del componente nominal para cada concentrador de luz 30 son las siguientes: Altura de celda del concentrador: 20 mm Profundidad de celda del concentrador: 10 mm Los concentradores de luz adyacentes 30 pueden ser acoplados en forma óptica, permitiendo una reflexión interna total (TIR) dentro del grupo 40 para una porción de luz desviada o mal dirigida. Los rayos pueden experimentar TIR y reflexión a partir de una o más superficies de reflexión curvas recubiertas un número de veces antes de, ya sea encontrar un receptor de luz 22, 24 en uno de los concentradores de luz 30 ó saliendo del grupo 40 como luz desperdiciada. El concentrador de luz 30 de la presente invención es ventajoso sobre otros tipos de dispositivos concentradores de energía radiante, que proveen tanto concentración de luz como separación espectral. El concentrador de luz 30 de la presente invención exhibe únicamente una cantidad muy pequeña de obstrucción de luz incidente sobre el eje, normalmente menor del 2% en comparación con las modalidades del tipo Cassegrain favorables propuestas en cualquier otra parte que pueden obstruir aproximadamente el 10% o más de la luz sobre el eje. Con la separación de espectro del reflector parabólico doble 20, el concentrador de luz 30 permite el uso de receptores fotovoltaicos que tiene una disposición lateral, en lugar de una disposición apilada, en la cual, las bandas espectrales separadas son dirigida sobre las celdas fotovoltaicas adecuadas, cada una optimizada para obtener la energía de luz de las longitudes de onda en esa banda espectral. El aparato de la presente invención puede utilizarse para proveer un elemento concentrador de luz modular, diferenciado o un arreglo de concentradores de luz. El aparato se puede escalar y puede adaptarse a aplicaciones de panel delgado o a aparatos de energía radiante de mayor escala. Uno o más de los receptores de luz 22 y 24 puede ser fotovoltaico (PV), fabricado a partir de cualesquiera materiales fotovoltaico para las bandas espectrales provistas, incluyendo silicón, arseniuro de galio (GaAs), antimonio de galio (GaSb), y otros materiales. Uno o más de los receptores de luz 22 y 24, podrían alternativamente ser termovoltaicos o termofotovoltaicos (TPV), utilizando algún material que convierte el calor en electricidad, incluyendo material termoeléctrico, tal como diodos térmicos de mercurio cadmio telurio. Uno o más de los receptores de luz 22, 24 podría ser un dispositivo de carga acoplada (CCD) u otro sensor de luz. En las modalidades alternativas, uno o más de los receptores de luz 22, 24, sirven como el plano de imagen de entrada de otro subsistema óptico, tal como para la generación de energía o el análisis espectral, por ejemplo, Uno o ambos de los receptores de luz 22, 24 pueden ser una entrada a una guía de luz, tal como una fibra óptica, por ejemplo. Se puede observar que dos o más bandas espectrales provistas a los receptores de luz no son considerablemente diferentes en términos de espectro, aunque tendrán determinado traslape, en donde cada banda espectral contiene algunas de las mismas longitudes de onda. Determinada cantidad de la contaminación espectral podría ser inevitable, debido a que la respuesta dicroica es imperfecta y la luz puede ser incidente en ángulos no normales, degradando el desempeño del recubrimiento dicroico. Los recubrimientos dicroicos podrían ser optimizados con el objeto de reducir la contaminación espectral para disminuir los niveles hasta donde se desea.

Como se observó anteriormente, un recubrimiento dicroico podría ser provisto de manera alternativa como un tratamiento para la segunda superficie curva 34 en lugar de un recubrimiento reflector de algún otro tipo, proporcionando de esta manera una eficiencia mejorada sobre muchos tipos de recubrimientos de espejo convencionales. Para cualquiera de las modalidades mostradas anteriormente, las bandas espectrales pueden ser definidas y optimizadas como mejor se adecué a los requerimientos de una aplicación. La presente invención se ha descrito con detalle haciendo referencia particular a determinadas modalidades preferidas de la misma, aunque se deberá comprender que las variaciones y modificaciones pueden ser realizadas dentro del alcance de la presente invención como se describió anteriormente, y como se observa en las reivindicaciones anexa, por un experto en la materia sin alejarse del alcance de la presente invención. Por ejemplo aunque una disposición cilindrica del concentrador de luz 30 puede ser preferida para algunas aplicaciones, también pueden existir ventajas a formas alternativas, tales como una forma toroidal. En una modalidad toroidal, existe potencia óptica en planos múltiples. Pueden existir ventajas por utilizar componentes múltiples, tales como la adición de una lente Fresnel que tiene potencia óptica en una dirección y relativa a la Figura 10. Esto podría ayudar a reducir el coma, por ejemplo. Por lo tanto, un concentrador de luz de la presente invención podría tener dos lentes Fresnel separadas o estructuras Fr4esnel u otras lentes adecuadas u otros componentes concentradores de luz dispuestos en forma ortogonal con respecto uno del otro, uno para reducir el coma, el otro para concentrar la luz ortogonal a la concentración parabólica provista. Aquellos expertos en la en la materia del diseño óptico reconoce que se deben permitir algunas latitudes para las frases "cerca de la región focal" ó "en la región focal". Las tolerancias optomecánicas prácticas permiten algún grado de variación en la colocación precisa de acuerdo con los principios utilizados en las enseñanzas de la presente invención. Como se observó anteriormente, las superficies parabólicas o paraboloides precisas son las superficies de reflexión ideales para enfocarse a lo largo de una línea o en un punto; sin embargo, en la práctica, únicamente se logra una aproximación a la superficie parabólica o paraboloide, aunque esta provee resultados aceptables en la aplicación de las técnicas de la presente invención. Por lo tanto, se provee un aparato que recolecta luz del sol u otra fuente de radiación policromática, separa opcionalmente la luz en dos o más bandas espectrales y provee dicha banda espectral a un receptor de luz.

LISTA DE PARTES 10 Aparato fotovoltaico 12 espejo primario 14 espejo secundario 16 receptor 20 reflector parabólico doble 22 primer receptor de luz 23 tercer receptor de luz 24 segundo receptor de luz 26 cuerpo 28 superficie frontal 30 concentrador de luz 32 primera superficie de reflexión curva 34 segunda superficie de reflexión curva 36 prisma 38 banda 40 arreglo 42 porción 44 electrodo 50 concentrador de luz 52 receptor de luz 60 aparato de concentración de energía radiante 62 procesador lógico de control 64 activador de rastreo 66 tierra 70 sistema de energía solar 80 sol A área C eje cilindrico d distancia f 1 , f2 región focal O, 01 , 02 eje óptico R rayo t1 , t2 espesor N,E,S,W Norte, este, sur, oeste

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un aparato para obtener energía radiante a partir de una fuente de energía radiante policromática, el aparato comprende: a) un separador espectral que comprende: (i) una primera superficie curva cóncava para la energía radiante incidente y tratada para reflejar una primera banda espectral hacia una primera región focal y para transmitir una segunda banda espectral; (ii) una segunda superficie curva cóncava para la energía radiante incidente y tratada para reflejar la segunda banda espectral hacia la segunda región focal; en donde la primera y segunda superficies curvas son colocadas en forma óptica de manera que la primera y segunda regiones focales son separadas una de la otra, y b) primer y segundo receptores de luz, en donde el primer receptor de luz está dispuesto más cercano a la primera región focal para recibir la primera banda espectral y el segundo receptor de luz está dispuesto más cerca de la segunda región focal para recibir la segunda banda espectral.

2.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera superficie curva es tratada para reflejar las longitudes de onda visibles.

3. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera superficie curva es tratada para reflejar las longitudes de onda infrarrojas.

4. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera y segunda superficies curvas son desconcentradas en forma óptica.

5. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera superficie curva es substancialmente parabólica en la sección transversal a lo largo de por lo menos un eje.

6.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la primera superficie curva tiene un recubrimiento dicroico.

7. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la segunda superficie curva tiene un recubrimiento dicroico.

8. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque por lo menos uno del primer y segundo receptores de luz es un receptor fotovoltaico.

9. - El aparto de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque por lo menos uno del primer y segundo receptores de luz es un receptor termovoltaico.

10. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque por lo menos un separador espectral es cilindrico.

11. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque por lo menos uno del primer y segundo receptores de luz comprende una fibra óptica.

12. - El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque por lo menos uno del primer y segundo receptores de luz es un plano de entrada para otro sistema óptico.