MX2013015438A - Un panel espectralmente selectivo. - Google Patents

Un panel espectralmente selectivo.

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Mikhail Vasiliev
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Abstract

La presente divulgación de la invención proporciona un panel espectralmente selectivo que comprende un primer material que es al menos parcialmente transmisor para la luz que tiene una longitud de onda en el intervalo de longitud de onda visible y que está dispuesto para guiar la luz adecuada. Adicionalmente, el panel comprende un elemento de difracción que esta situado en, sobre o cerca del primer material. El elemento de difracción está dispuesto de manera que desvía predominantemente la luz que tiene una longitud de onda en una banda de longitud de onda de IR. El primer material está dispuesto y el elemento de difracción esta orientado de manera que al menos una parte de la energía asociada con la luz IR incidente desde una dirección transversal del panel espectralmente selectivo se dirige a lo largo del panel hacia una parte lateral del panel.

Description

UN PANEL ESPECT ALMENTE SELECTIVO Campo de la invención La presente invención se refiere a un panel espectralmente selectivo y se refiere específicamente, aunque no exclusivamente, a un panel que es transparente para la luz visible y que desvía la luz infrarroja.
Antecedentes de la invención El sobrecalentamiento de espacios interiores, tales como espacios que reciben la luz del sol a través de grandes ventanas, es un problema que puede superarse usando acondicionadores de aire. Una gran cantidad de energía se usa globalmente para enfriar espacios interiores. La mayor parte de la energía eléctrica se genera usando fuentes no sostenibles, lo que es una preocupación medioambiental cada vez mayor.
La Patente de Estados Unidos N° US 6285495 (propiedad del presente solicitante) desvela un material que puede usarse como un vidrio de ventana y que es altamente transmisor para luz visible, pero que desvía una parte de la luz incidente a las partes laterales del panel donde es absorbida por células fotovoltaicas para generar electricidad. Este material tiene un doble beneficio: a medida que se reduce la transmisión de la radiación IR, el calentamiento de los espacios interiores puede reducirse y al mismo tiempo puede generarse energía eléctrica.
Sumario de la invención La presente invención proporciona en un primer aspecto un panel espectralmente selectivo que comprende: un primer material que es al menos parcialmente transmisor para la luz que tiene una longitud de onda en el intervalo de longitud de onda visible y que está dispuesto para guiar la luz adecuada, comprendiendo el primer material un material luminiscente que está dispuesto de manera que una parte de la luz IR es absorbida por el material luminiscente dando como resultado la emisión de luz por fotoluminiscencia, fluorescencia o fosforescencia; un elemento de difracción que está situado sobre, en, o cerca del primer material, estando dispuesto el elemento de difracción para desviar predominantemente la luz que tiene una longitud de onda en una banda de longitud de onda de IR; en el que el primer material está dispuesto y el elemento de difracción está orientado de manera que al menos una parte de la energía asociada con la luz IR incidente desde una dirección transversal del panel espectralmente selectivo se dirige a lo largo del panel hacia una parte lateral del panel.
El panel espectralmente selectivo de acuerdo con las realizaciones de la presente invención puede considerarse como una protección para el calor de banda ancha IR para la luz solar y puede usarse para diversos fines. Por ejemplo, el panel espectralmente selectivo puede proporcionarse en forma de, o puede comprender, un cristal de ventana de un edificio, coche, barco o cualquier otro objeto que comprenda ventanas o persianas. Adicionalmente, el panel espectralmente selectivo puede formar un recubrimiento de un objeto.
En una realización especifica, el elemento de difracción es una rejilla, tal como una rejilla de fase, y puede ser una rejilla de modo reflexión o de modo transmisión. El elemento de difracción puede ser una rejilla bidimensional o tridimensional.
El elemento de difracción puede tener un periodo de rejilla en el intervalo de la banda de longitud de onda IR. Por ejemplo, el periodo de la rejilla puede estar en el intervalo de 1 µ?a a 10 µp?, de 2 µ? a 6 µ?? o ser de aproximadamente 4 µ??.
Adicionalmente, el elemento de difracción típicamente está dispuesto para permitir una transmisión de orden cero maximizada de luz visible. En consecuencia, el elemento de difracción facilita el manteniendo de una transmisión en el intervalo visible alto simultánea con una desviación de la luz IR solar incidente que ayuda a "atrapar" la luz IR dentro del panel por reflexión interna total.
En un ejemplo particular, el elemento de difracción está compuesto parcial o completamente por el primer material .
El elemento de difracción puede estar fijado o formado sobre cualquier cara del panel espectralmente selectivo o cualquiera de sus partes constitutivas. Por ejemplo, el elemento de difracción puede ser una rejilla que está atacada químicamente en una cara del panel espectralmente selectivo. Como alternativa, la rejilla puede formarse a partir de un material que está depositado sobre una cara de la parte de panel espectralmente selectivo. Adicionalmente, la rejilla puede estamparse en una cara del panel espectralmente selectivo o en un material que se deposita sobre la parte de panel espectralmente selectivo, tal como un material polimérico.
El elemento de difracción puede comprender también una estructura laminada que es reflectante para la luz que tiene una longitud de onda en una banda de longitud de onda IR y puede ser transmisor para luz que tiene una longitud de onda en un intervalo de longitud de onda de luz visible. El elemento de difracción puede ser una rejilla uni-, bi- o tridimensional, que tiene una estructura de rejilla que está atacada químicamente o estampada en la estructura laminada .
En una realización específica, el elemento de difracción está intercalado entre partes del panel espectralmente selectivo.
En un ejemplo, el elemento de difracción comprende una pluralidad de surcos. La pluralidad de surcos pueden estar al menos parcialmente llenos con un material, por ejemplo, un epoxi, un material de dispersión o el material luminiscente .
En una realización alternativa, el elemento de difracción también es una rejilla, pero comprende una estructura que tiene variaciones del índice de refracción periódicas sin surcos. El panel espectralmente selectivo puede comprender también un material de dispersión que está situado sobre o en el primer material. El material de dispersión típicamente está representado por nano- o micro-polvos de un material de alto índice de refracción que también puede tener propiedades fotoluminiscentes debido a su propia composición o cualquier dopante activador añadido, y tal polvo o polvos se incorporan típicamente en un material de matriz que lo rodea, por ejemplo en un epoxi líquido curable por UV, y este material de dispersión puede disponerse también para dispersar la luz en una dirección preferente. Tanto el % en peso de la concentración del polvo de dispersión dentro del material de epoxi circundante como el tamaño de partícula de polvo característico (y posiblemente las formas de las partículas o tipos de contenido de fase cristalográfica) se optimizan para conseguir una transparencia en el intervalo visible maximizada junto con la mejor capacidad posible de desviación/atrapamiento de luz IR.
Puede usarse una pluralidad de estas capas de dispersión dentro de la estructura del panel.
El elemento de difracción puede ser también uno de los dos o más elementos de difracción.
El material de dispersión puede comprender partículas de tamaño micro- o nanométrico y puede proporcionarse en forma de una película.
Dependiendo del ángulo de incidencia, el material luminiscente facilita adicionalmente el direccionamiento la luz IR hacia la parte lateral del panel espectralmente selectivo.
Una parte del material de dispersión puede dispersarse también dentro de la primera parte del panel. La dispersión de luz puede conseguirse de una manera sustancialmente sin pérdidas dentro del intervalo de longitud de onda IR y/o visible, por ejemplo si el material de dispersión comprende materiales que tienen huecos de banda anchos, tales como partículas de óxidos de tierras raras (Yb2Ü3 o Nd2C>3, por ejemplo) .
En una realización, el panel espectralmente selectivo forma un concentrador transmisor de luz visible específico para IR. Adicionalmente, una parte de la luz IR se dirige a las partes laterales del panel donde pueden usarse, por ejemplo, para la generación de energía eléctrica usando células fotovoltaicas .
El panel espectralmente selectivo puede comprender partes de panel componentes y el elemento de difracción y/o el material de dispersión pueden estar intercalados entre las partes de panel componentes adyacentes que están situadas en una relación cara a cara. Por ejemplo, el elemento de difracción puede estar incluido en una capa que está intercalada entre las partes de panel componentes y la capa puede comprender el elemento de difracción en una parte lateral. Como alternativa, el panel espectralmente selectivo puede comprender dos elementos de difracción que están incluidos en una capa que está intercalada entre las partes de panel componentes y la capa puede comprender los elementos de difracción en las partes laterales respectivas. En cualquier caso, la capa puede funcionar también como un adhesivo que acopla las partes de panel componentes a la capa.
El panel espectralmente selectivo puede comprender también un hueco, tal como un hueco lleno de aire o de gas entre las partes de panel componentes, que puede separarse usando espaciadores adecuados. En una realización particular, el elemento de difracción y/o el material de dispersión están situados en el hueco. Las superficies de las partes de panel componentes que definen el hueco pueden estar recubiertas con el material de dispersión y/o el material luminiscente.
En un ejemplo, el elemento de difracción comprende una pluralidad de surcos y está situado de manera que la pluralidad de surcos están localizados en el hueco.
El panel espectralmente selectivo típicamente incluye también un componente reflectante, tal como una película reflectante, que está dispuesta para reflejar la luz incidente dentro de una banda de longitud de onda de infrarrojos (IR) mientras que es altamente transmisora para al menos la mayor parte de la luz que tiene una longitud de onda dentro de la banda de longitud de onda visible. El panel espectralmente selectivo puede ser también reflectante de la luz UV.
El panel espectralmente selectivo está dispuesto de manera que el componente reflectante, que típicamente es una capa reflectante o una película multicapa, está situado en una parte inferior del panel espectralmente selectivo (en o cerca de la superficie de la ventana orientada hacia el interior si se usa en productos de tipo ventana) y el componente espectralmente reflectante refleja una parte de la luz IR que se transmite a través de la primera parte del panel .
Adicionalmente, el panel espectralmente selectivo puede comprender una capa superior sobre la cual la luz incide antes de su transmisión a través de la primera parte del panel del panel espectralmente selectivo. La capa superior típicamente es una estructura multicapa que es transmisora en gran medida o incluso antirreflectante para la luz visible y está dispuesta para reflejar una parte de la luz IR, tal como la luz IR que es emitida por el material luminiscente.
En una realización el material luminiscente comprende luminóforos visiblemente transparentes que están dispuestos para la absorción de luz IR. El material luminiscente puede estar dispuesto también de manera que una parte (pequeña) de la luz UV incidente (o una fracción pequeña de la radiación visible incidente) es absorbida por el material luminiscente dando como resultado una emisión de la luz luminiscente en direcciones aleatorias.
Adicionalmente, el material luminiscente puede estar dispuesto para emisión de luz luminiscente mediante conversión al alza o la baja de la frecuencia de la luz recibida.
El material luminiscente puede comprender moléculas de tinte orgánico o inorgánico, moléculas de tinte láser y/o materiales luminiscentes basados en óxido tales como materiales de óxido de tierras raras adecuados y puede estar localizado dentro de la primera parte del panel y en un lado inferior o superior de la primera parte del panel del panel. Como alternativa, el material luminiscente puede concentrarse cerca de una región central de la primera parte del panel. El material luminiscente puede formar también una capa dentro de o en la primera parte del panel. Como alternativa o adicionalmente, el material luminiscente puede dispersarse dentro de la primera o segunda parte del panel. En un ejemplo específico la primera parte del panel comprende partes de panel componentes que están dispuestas en una relación cara a cara y el material luminiscente está situado entre partes de panel componentes adyacentes.
En una realización específica, el panel espectralmente selectivo comprende al menos una célula fotovoltaica que está situada en o cerca de una parte lateral del panel espectralmente selectivo para recibir una parte de la luz IR y otra luz que se dirige hacia la parte lateral mediante el panel espectralmente selectivo. Por ejemplo, la al menos una célula fotovoltaica puede ser una célula fotovoltaica basada en Ge o GaAs o CIGS (diseleniuro de cobre, indio y galio) o CIS (diseleniuro de cobre e indio) célula fotovoltaica que tiene un hueco de banda relativamente pequeño adecuado para la absorción de luz en el intervalo de longitud de onda IR. Adicionalmente, la al menos una célula fotovoltaica puede comprender un apilamiento de células fotovoltaicas que tienen múltiples huecos de banda.
La presente invención proporciona, en un segundo aspecto, un panel de espectralmente selectivo que comprende : un primer material que es al menos parcialmente transmisor para la luz que tiene una longitud de onda en el intervalo de longitud de onda visible y que está dispuesto para guiar la luz adecuada; un material de dispersión que está situado sobre o en el primer material, estando el material de dispersión dispuesto para dispersar predominantemente la luz que tiene una longitud de onda en una banda de longitud de onda IR; en el que el panel espectralmente selectivo está dispuesto de manera que al menos una parte de la energía asociada con la luz IR incidente desde una dirección transversal del panel espectralmente selectivo se dirige a lo largo del panel hacia una parte lateral del panel.
La invención se entenderá más completamente a partir de la siguiente descripción de las realizaciones específicas de la invención. La descripción se proporciona con referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos La Figura 1 es una representación de un panel espectralmente selectivo de acuerdo con una realización especifica de la presente invención; La Figura 2 es una representación de un panel espectralmente selectivo de acuerdo con una realización específica adicional de la presente invención; La figura 3 muestra una representación esquemática adicional de un panel espectralmente selectivo de acuerdo con una realización adicional de la presente invención; La Figura 4 muestra un panel espectralmente selectivo de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención; La Figura 5 ilustra una representación esquemática de una realización adicional de la presente invención; y Las figuras 6 y 7 muestran los resultados de las mediciones que se realizaron usando los componentes de acuerdo con las realizaciones específicas de la presente invención .
Descripción detallada de las realizaciones especificas Haciendo referencia inicialmente a la Figura 1, se describe ahora un panel espectralmente selectivo 100. El panel espectralmente selectivo 100 puede proporcionarse por ejemplo en forma de un vidrio para ventana de un edificio, un coche, un barco o cualquier otro objeto adecuado. El panel espectralmente selectivo reduce la transmisión de luz que tiene una longitud de onda en una banda de longitud de onda IR que es muy transmisora para la luz visible. El panel espectralmente selectivo 100 está dispuesto para desviar la luz IR y usar la luz IR desviada para la generación de energía eléctrica.
El panel espectralmente selectivo 100 comprende, en esta realización, paneles de vidrio 102 y 104. Se proporciona un elemento de difracción 106 sobre una cara del panel de vidrio 102. Los paneles de vidrio 102 y 104 están separados por un hueco relleno con un material 108 que funciona como un adhesivo, así como una matriz transparente en la que se incorporan los materiales de dispersión y/o luminiscentes, formando de esta manera un material funcional compuesto. El material 108 se describirá con más detalle adicionalmente más adelante.
Las superficies exteriores de los paneles 102 y 104 están recubiertas con recubrimientos multicapa 112 y 110, respectivamente. Las células solares 114 están situadas en las partes laterales del panel espectralmente selectivo 100. Debe apreciarse que el panel espectralmente selectivo 100 puede comprender cualquier número de células solares, tal como únicamente una sola célula solar situada en una parte lateral únicamente, 2, 3 o 4 o más de 4 células solares. Puede utilizarse una pluralidad de posibles maneras para conectar eléctricamente estas células solares entre sí, es decir, conexiones en serie, todas en paralelo y haces paralelos conectados en serie más complejos de células solares.
El elemento de difracción 106 está dispuesto para desviar espectralmente la luz IR incidente y reflejada, y para la transmisión de luz visible. La desviación de luz IR incidente se muestra esquemáticamente mediante las flechas 120. En este ejemplo particular, el elemento de difracción 106 es una rejilla de difracción que funciona en modo transmisión y está diseñada de manera que la mayor parte de la luz IR solar incidente se desvia en un único orden de difracción preferente, con las características de diseño de rejilla optimizadas para el ángulo de incidencia de la luz que está gobernado por el ángulo de incidencia de la radiación solar a medio día típico esperado sobre las superficies de la ventana. Un experto en la materia apreciará que el elemento de difracción 106 puede funcionar también en modo reflexión.
En esta realización particular, el elemento de difracción 106 se forma en una cara del panel de vidrio 102, por ejemplo por ataque químico. En consecuencia, el elemento de difracción 106 está compuesto también de vidrio o, como alternativa, puede depositarse una capa de película transparente (como S1O2) sobre un sustrato de vidrio y después esta capa de película puede atacarse químicamente o procesarse mecánicamente para formar una estructura de difracción. Sin embargo, un experto en la materia apreciará que se prevén otras disposiciones. Por ejemplo, el elemento de difracción 106 puede formarse estampando una estructura de rejilla en un material polimérico. En este caso, la rejilla 106 puede formarse en una localización remota y adherirse después al panel de vidrio 102. Como alternativa, la rejilla 106 puede formarse sobre el panel de vidrio 102 aplicando inicialmente un material polimérico (u otro material adecuado) a una cara del panel de vidrio 102.
En un ejemplo, el panel espectralmente selectivo comprende una capa (no mostrada) que puede comprender un polivinil butiral (PVB) que está intercalado entre dos paneles de vidrio. En este ejemplo, la capa comprende materiales luminiscentes y de dispersión. Una rejilla de difracción está estampada en cada cara de la capa y la capa se adhiere después a los paneles de vidrio en las rejillas, de manera que los surcos de las rejillas están cerrados por partes de la superficie de los paneles de vidrio. La capa típicamente funciona también como un adhesivo para acoplarse a los paneles de vidrio.
Las propiedades espectrales del elemento de difracción 106 pueden ser diseñadas por los expertos en la materia ajustando los siguientes parámetros: índice de refracción, forma del perfil de la rejilla, ángulo de inclinación, coeficiente de utilización, periodo de la rejilla, número de niveles de fase y profundidad del ataque químico. En este ejemplo particular, el elemento óptico de difracción 106 comprende una pluralidad de surcos 110, teniendo cada surco una distancia en el intervalo de 4 um a un surco adyacente (periodo de la rejilla) .
La pluralidad de surcos 110 y el hueco entre los paneles de vidrio 102, 104 se llenan con el material 108. El material 108 es un polvo de dispersión luminiscente que comprende un epoxi. El material 108 proporciona funciones adhesivas, de luminiscencia y también de dispersión.
La dispersión de la luz incidente por el polvo de dispersión luminiscente aumenta una parte de la luz que se dirige hacia las partes laterales del panel 100. Esta función se indica esquemáticamente mediante las flechas 122.
La luz que es incidente desde una dirección transversal del panel espectralmente selectivo puede ser absorbida por el material luminiscente dando como resultado la emisión de la radiación luminiscente que se emite en direcciones aleatorias que se muestra esquemáticamente mediante las flechas 124. Esto da como resultado que la radiación esté menos orientada transversalmente que la radiación incidente y, en consecuencia, facilita la dirección de la luz hacia las partes laterales de los paneles de vidrio 102 y 104 hacia las células solares 114 para la generación de energía eléctrica.
Un experto en la materia apreciará que los paneles de vidrio 102 y 104 pueden estar dopados también con materiales luminiscentes que absorben una parte de la luz IR y UV entrante y emiten radiación luminiscente en direcciones aleatorias.
El recubrimiento 110 es un recubrimiento multicapa y está dispuesto para reflejar la luz IR incidente dentro de una banda de longitud de onda IR ancha. Adicionalmente, el recubrimiento multicapa 110 es antirreflectante para la luz visible y reflectante para la luz UV incidente. En consecuencia, una parte de la luz IR y UV que es incidente desde una parte superior del panel espectralmente selectivo 100 se transmite a través de los paneles de vidrio 102 y 104 y después se refleja mediante el recubrimiento multicapa 110. Los paneles de vidrio 102 y 104 están dispuestos de manera que, dependiendo del ángulo de reflexión, una parte de la luz reflejada se guia a lo largo de los paneles de vidrio 102 y 104 hacia las células solares 114, donde la luz IR puede ser absorbida para generar energía eléctrica.
Una parte de la luz IR que se refleja mediante la capa 110 en una dirección transversal se dispersa mediante las capas 108, de manera que la intensidad de la luz correspondiente se dirige mediante dispersión múltiple y/o reflexión interna hacia las células solares 114. En consecuencia, las propiedades de dispersión de las capas 108 facilitan la reducción de la capacidad de producción de radiación IR y la eficacia de generación de energía.
El recubrimiento superior 112 puede tener las propiedades antirreflectantes en los intervalos de longitud de onda UV y visible - para usar tanta energía UV incidente dentro de la estructura de panel como esté disponible y, por lo tanto, excitar un intervalo de luminóforos inorgánicos o, como alternativa, puede tener propiedades de elevada reflexión en UV y también propiedades antireflexión a través del intervalo de longitud de onda visible y, al mismo tiempo, funciona como un reflector de IR parcial . Las propiedades anti-reflexión en el intervalo visible pueden ajustarse también mediante diseño para minimizar la reflexión de la energía de la luz incidente dentro de un intervalo particular de ángulos de incidencia. En otra realización, el recubrimiento superior 112 está dispuesto para que sea altamente reflectante para la radiación UV mientras que es antirreflectante para la luz visible y opcionalmente también altamente reflectante dentro de la (sub) -banda de la longitud de onda IR dentro de la cual emiten luz los materiales luminóforos. La propiedad de alta reflectividad en la banda UV en este ejemplo se usa para proteger los luminóforos de ser afectados adversamente por la radiación UV incidente. Este recubrimiento es una estructura multicapa que está diseñada para reflejar la luz IR predominantemente dentro del intervalo de longitud de onda al que emite luz el material luminiscente. En consecuencia, el recubrimiento 112 evita en gran medida que la radiación luminiscente generada se escape sin ser dirigida a las células fotovoltaicas 114.
La función del panel espectralmente selectivo 100 puede resumirse como sigue. Después de la desviación por el elemento de difracción 106 y múltiples acontecimientos de dispersión a través del material 108, una parte aumentada de los fotones se propagará a ángulos que exceden el ángulo de reflexión interna total. Considerando que una gran fracción de la luz IR solar es incidente a ángulos grandes (facilitado por la dispersión y emisión de radiación de luminiscencia) , una gran parte de esta luz IR quedará atrapada dentro del panel espectralmente selectivo 100 y alcanzará las partes laterales del panel 100. El recubrimiento superior 112 está diseñado para reflejar la luz emitida por los luminóforos y es visiblemente transparente. El recubrimiento inferior 110 refleja la mayor parte de luz IR a todos los ángulos y longitudes de onda. Estas propiedades, combinadas con la redistribución angular de los fotones entrantes por desviación y dispersión multipaso, es una característica única de los paneles espectralmente selectivos 100 de acuerdo con las realizaciones de la presente invención.
Debe apreciarse que, en una realización alternativa, el panel espectralmente selectivo 100 puede que no comprenda necesariamente células fotovoltaicas 114, sino que por ejemplo puede comprender orificios de purga o similares que están dispuestos para retirar la energía térmica que se dirige en forma de radiación IR a las partes laterales del panel espectralmente selectivo 100. Algunas de las partes laterales pueden estar recubiertas también mediante materiales altamente reflectantes incluyendo Al o Ag o cualquier recubrimiento dieléctrico adecuado que redirigirá la luz lejos de tales superficies laterales hacia otras superficies laterales del panel.
Haciendo referencia ahora a las Figuras 2 y 3, se describen ahora los elementos de difracción 206, 306 de paneles espectralmente selectivos 200, 300 de acuerdo con realizaciones adicionales de la presente invención.
El elemento de difracción 206 se forma sobre una cara del panel de vidrio 102 y es una rejilla de difracción que funciona en modo transmisión o una rejilla de difracción con surcos de un tipo de perfil diferente (diente de sierra, rectangular o trapezoidal) .
En este ejemplo particular, el elemento de difracción 206 comprende una pluralidad de surcos en el que cada surco tiene una forma de sección transversal rectangular.
Los paneles de vidrio 102 y 104 están separados por un hueco lleno con un material 208. El material 208 está compuesto de un epoxi óptico en el que están dispersados polvos y pigmentos de dispersión luminiscentes. El epoxi acopla el panel de vidrio 104 al panel de vidrio 102. El material 208 tiene adicionalmente propiedades de luminiscencia y dispersión.
La Figura 3 muestra un panel espectralmente selectivo 300 que comprende el elemento de difracción 306. En esta realización, el elemento de difracción 306 comprende también surcos, pero cada surco tiene una forma de sección transversal triangular.
Similar al panel espectralmente selectivo 200, los paneles de vidrio 102 y 104 están separados por un hueco que está lleno con un material 308 que está compuesto de un epoxi, en el que están dispersados o disueltos los polvos y pigmentos luminiscentes.
Haciendo referencia ahora a la Figura 4, se describe ahora un panel espectralmente selectivo 400 de acuerdo con otra realización de la invención.
En esta realización, el hueco entre los paneles de vidrio 102 y 104 está lleno con aire. De forma similar a la estructura de una ventana de doble vidrio, el hueco proporciona aislamiento térmico, una estabilidad estructural global mejorada, aislamiento de ruido e interfaces de alto índice de contraste adicionales que conducen a mejorar la probabilidad de atrapamiento de luz sobre múltiples reflexiones dentro de los paneles de vidrio debido a las reflexiones internas totales.
Debe apreciarse que en las realizaciones alternativas, el hueco puede llenarse con cualquier otro material dieléctrico adecuado. Se apreciará también que en las variaciones de la realización descrita, el panel espectralmente selectivo 100 puede comprender cualquier número de paneles de vidrio que podrán definir o no huecos entre paneles de vidrio adyacentes. Adicionalmente , el panel o paneles de vidrio pueden reemplazarse por un panel o paneles de otro material adecuado, tal como un material polimérico incluyendo por ejemplo polivinil butiral (PVB) o cloruro de polivinilo (PVC) y puede proporcionarse también en forma de un laminado tal como un vidrio de seguridad.
Las superficies interiores de los paneles de vidrio 102 y 104 están recubiertas con un recubrimiento 408. Los paneles de vidrio 102 y 104 están separados por un espaciador de vidrio transparente 406.
Cada uno de los recubrimientos 408 comprende, en este ejemplo, una estructura multicapa que está dispuesta para la dispersión preferente de la luz IR en una dirección hacia las partes laterales del panel 400. En esta realización, los recubrimientos 408 comprenden partículas de óxido de tierras raras de tamaño nano- o micrométrico que tienen un hueco de banda relativamente ancho de manera que la dispersión se produce eficazmente sin pérdidas (es no absorbente) . Adicionalmente , los recubrimientos (o capas) 408 pueden comprender un epoxi que acopla los paneles de vidrio 102 y 104 a los espaciadores 406.
Las capas 408 comprenden también materiales luminiscentes y los óxidos de tierra raras mencionados anteriormente se dopan para que tengan esa función. Por ejemplo, si la luz es incidente desde una dirección transversal del panel espectralmente selectivo y, después es absorbida por el material luminiscente, la radiación luminiscente emitida posteriormente se emite en direcciones aleatorias. Esto da como resultado que la radiación esté menos orientada transversalmente y una parte de la radiación luminiscente se emitirá en direcciones tales que los paneles de vidrio 102 y 104 guiarán la radiación luminiscente hacia las células solares 114 para la generación de energía eléctrica.
Los paneles de vidrio 102 y 104 pueden estar dopados también con materiales luminiscentes que absorben una parte de la luz IR y UV entrante y emiten radiación luminiscente en direcciones aleatorias, pero de una manera espacialmente isotrópica .
Una parte de la luz IR que es reflejada por la capa 110 en una dirección transversal es desviada por las capas 408 de manera que la intensidad de la luz correspondiente se dirige mediante dispersión múltiple y/o reflexión interna hacia las células solares 114. En consecuencia, las propiedades de dispersión de las capas 408 facilitan la reducción de la capacidad de producción de radiación IR y eficacia de la generación de energía.
En esta realización, el hueco entre los paneles de vidrio 102 y 104 está lleno de aire. Sin embargo, un experto en la materia apreciará que el hueco puede llenarse con cualquier otro material dieléctrico adecuado.
El material luminiscente incluido en este ejemplo proporcionado en la capa 408, está localizado en las caras superior e inferior de los paneles de vidrio 102 y 104, respectivamente. Como alternativa, el material luminiscente puede estar situado solo en uno de los paneles de vidrio 102 y 104, que puede estar dopado con, o comprender, el material luminiscente.
Haciendo referencia ahora a la Figura 5, se describe ahora un panel espectralmente selectivo 500 de acuerdo con una realización adicional de la presente invención. El polvo de dispersión luminiscente comprende un solo material que es una composición y que proporciona funciones de luminiscencia y también de dispersión. Como alternativa, el polvo de dispersión luminiscente puede ser una mezcla de materiales componentes y cada material componente puede tener una función respectiva. El panel espectralmente selectivo 500 comprende paneles de vidrio 102 y 104.
En esta realización, los paneles de vidrio están separados por una capa 506 que comprende un epoxi óptico, en el que están dispersados los polvos de dispersión luminiscente y pigmentos. Como alternativa, la capa 506 puede comprender una suspensión o solución que incluye el material de dispersión y/o el material luminiscente. En consecuencia, la capa 506 combina las funciones de acoplamiento de los paneles de vidrio 102 y 104 entre si, proporcionando un material luminiscente y que actúa como capas de dispersión.
Las capas de dispersión de los paneles espectralmente selectivos 400 y 500 se formaron usando bombardeo RF y comprenden óxidos de tierras raras. Pueden incluirse o proporcionarse capas de dispersión en lugar de las capas 408 y 506 descritas anteriormente. Estas capas de óxido de tierras raras se preparan de manera que tienen propiedades de dispersión/difusión preferentes en el intervalo de longitud de onda IR y tienen un recubrimiento superficial amorfo (formado por un proceso de atemperado en el horno) , que es responsable de la dispersión preferente en el intervalo de longitud de onda IR. Estas capas de óxido de tierras raras microcristalinas , que pueden comprender por ejemplo una capa Y 203, tienen un espesor de 700-1500 nm y se depositan sobre un vidrio usando bombardeo con magnetrón RF en atmósfera de Ar pura y reoxidado y atemperado postdeposición (cristalizado) mediante procesamiento en el horno durante 3 horas a una temperatura de 600 °C en aire) .
Las capas de dispersión 408 y 506 combinan las funciones de dispersión, tales como dispersión sin pérdidas ópticas, con funciones de conversión de energía luminiscente. Las capas 408 y 506 tienen un espesor de unos 100 nm y comprenden partículas de tamaño nano- o micrométrico de materiales de tierras raras (tales como Yb203, d203) que tienen huecos de banda ancha dentro de sus estructuras de nivel de energía electrónica y posibilitan una dispersión de luz esencialmente sin pérdidas en los intervalos de longitud de onda IR y también visible. Las partículas de tierras raras están unidas mediante epoxis ópticamente transparentes curados por UV (tales como el epoxi Norland NOA63) . Adicionalmente , los luminóforos (pigmentos y materiales nanopulverizados ) se dispersan dentro del material epoxi de las capas 408 y 506. En un ejemplo, los luminóforos orgánicos-inorgánicos híbridos excitables se dispersan en el epoxi IR con una concentración de aproximadamente el 0.25-1 % en peso.
Los óxidos de tierras raras pueden doparse también con materiales luminiscentes de tierras raras representados por ejemplo mediante los iones metálicos de tierras raras y pueden proporcionarse, por ejemplo, en forma de: Y2Ü3:Eu, Y203:Er o NaYF4:Yb.
El panel espectralmente selectivo 400 y 500 típicamente comprende también elementos de difracción (no mostrados) , tales como el elemento de difracción 106 descrito con referencia a la Figura 1.
La capa reflectante de IR HO de los paneles espectralmente selectivos de acuerdo con las realizaciones, por ejemplo, como las mostradas de las Figuras 1 a 5, se describirá ahora con mayor detalle.
La capa 110 se proporciona en forma de filtros de recubrimiento de interferencia óptica multicapa que tienen propiedades especulares para el calor de banda ultra-ancha y usan un diseño de filtro de borde de triple apilamiento. La capa HO también es reflectante en el intervalo UV. La capa HO se forma a partir de AI2O3, SÍO2 y a205 usando técnicas de bombardeo RF. El espesor total de tal recubrimiento en estas realizaciones es entre 4-8 pm y el orden de los materiales ópticos dentro de una secuencia de capas puede variar, dependiendo de un diseño elegido. Los experimentos de atemperado (3 horas a 600 °C con aumentos graduales de temperatura de 5 °C/min) demostraron una estabilidad excelente. La capa HO es resistente al arañado y agrietamiento, resistente al calor, no es higroscópica y es estable con respecto a la acción de los tipos de disolvente químico comunes .
Las características de rendimiento del recubrimiento 110 sobre el vidrio se ensayaron y modelaron. Los resultados indicaban que la potencia de la fracción de luz solar-IR integrada total contenida dentro del intervalo de longitud de onda de 700-1700 nm y que transmite ópticamente a través del sistema de sustrato-recubrimiento es solo de aproximadamente el 4 %. Puesto que el recubrimiento 110 tiene propiedades de banda ultra-ancha, la reflectividad de la energía IR es eficaz para un amplio intervalo de ángulos incidentes .
Como se ha indicado anteriormente, el recubrimiento superior 112 se proporciona en forma de espejos de emisión espectralmente selectivos. El recubrimiento 110 comprende múltiples capas (20 - 25) de A1203, Si02 y Ta205 y se prepara usando técnicas de bombardeo RF. En estas realizaciones, la capa 112 está diseñada de manera que se evita la transmisión de la radiación especialmente luminiscente que se genera dentro del panel espectralmente selectivo a través del recubrimiento 112 por reflexión. El espesor de los recubrimientos varía con los requisitos de diseño y está en el intervalo de varios µp?.
La Figura 6 muestra espectros de transmisión y absorción de tal capa de óxido de tierras raras sobre vidrio (la intensidad se considera una función de la longitud de onda en nm) , por ejemplo, como se describe para las realizaciones mostradas en las Figuras 4 y 5. La representación 600 muestra el espectro de transmisión para una capa de dispersión que tiene un espesor de aproximadamente 1 µ? , la representación 602 muestra la reflexión total (especular y difundida) y la representación 604 muestra el espectro de pérdida óptica correspondiente (representado por la suma de pérdida de transmisión por absorción y dispersión y contribuciones a la pérdida por reflexión) . La capa mostraba una dispersión preferente dentro del intervalo espectral IR que cubría la mayor parte del intervalo IR cercano. La transparencia visible era cercana al 80 %. Después de ponerlo en contacto con un epoxi óptico con un índice de refracción cercano a 1.49 (coincidente con el vidrio) , la dispersión se reduce y la transparencia se mejora. Esta capa de dispersión de óxido de tierras raras tiene propiedades de luminóforo cuando se excita con la luz adecuada.
La Figura 7 muestra espectros de transmisión para los paneles espectralmente selectivos 400 y 500 (la fracción de intensidad transmitida se considera una función de la longitud de onda en nm) . La representación 700 muestra los datos de transmisión medidos para un panel del tipo del panel espectralmente selectivo 400 (con un hueco de aire) y la representación 702 muestra los datos de transmisión medidos para un panel del tipo del panel espectralmente selectivo 500 (sin hueco de aire) .
No es necesario decir que el hueco de aire del panel 400 no afecta significativamente a la transmisión visible.
Adicionalmente, como el epoxi tiene un índice coincidente con el del vidrio, el propio epoxi no provoca ninguna pérdida por transmisión significativa.
La función del panel espectralmente selectivo 400 puede resumirse como sigue. Después de múltiples pasos de dispersión a través de las capas e interfaces de dispersión, se propagarán (estadísticamente) más fotones a ángulos que superan el ángulo de reflexión interna total para los rayos de luz que se propagan dentro de un panel de vidrio rodeado por aire. Considerando que una fracción de la luz IR solar es incidente a ángulos grandes (facilitado por la dispersión y emisión de la radiación de luminiscencia) , una gran fracción de esta luz IR quedará atrapada dentro del panel espectralmente selectivo 400 y alcanzará las partes laterales del panel 400. El recubrimiento superior 112 está diseñado para reflejar la luz emitida por los luminóforos y es visiblemente transparente. En algunas implementaciones, las características espectrales de este recubrimiento pueden usarse para proporcionar la coloración visible pretendida para el panel en un intervalo de colores para adecuarse a los diferentes tipos de producto. El recubrimiento inferior 110 refleja la gran mayoría de luz IR a todos los ángulos y longitudes de onda. Estas propiedades combinadas con la redistribución angular de los fotones entrantes mediante dispersión multipaso dentro de capas luminiscentes 408 relativamente finas no absorbentes o débilmente absorbentes es una característica única de los paneles espectralmente selectivos 400 de acuerdo con las realizaciones de la presente invención. Los efectos de dispersión son capaces también de potenciar los procesos de luminiscencia mejorando las longitudes de la trayectoria de absorción del luminóforo .
Aunque la invención se ha descrito con referencia a ejemplos particulares, los expertos en la materia apreciarán que la invención puede plasmarse de muchas otras formas. Por ejemplo, los paneles espectralmente selectivos 100 y 200 comprenden recubrimientos reflectante superior e inferior 112, 110 y 210, 208, respectivamente. Se apreciará que en las variaciones de las realizaciones descritas los paneles espectralmente selectivos 100 y 200 puede que no comprendan tales recubrimientos reflectantes superior e inferior .
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (22)

REIVINDICACIONES
1. Un panel espectralmente selectivo que comprende: un primer material que es al menos parcialmente transmisor para la luz que tiene una longitud de onda en el intervalo de longitud de onda visible y que está dispuesto para guiar la luz adecuada, comprendiendo el primer material un material luminiscente que está dispuesto de manera que una parte de la luz IR es absorbida por el material luminiscente dando como resultado la emisión de luz por fotoluminiscencia, fluorescencia o fosforescencia/ un elemento de difracción que está situado dentro del primer material, estando dispuesto el elemento de difracción para desviar predominantemente la luz que tiene una longitud de onda en la banda de longitud de onda de IR y que tiene una pluralidad de surcos que están llenos al menos parcialmente con un material de dispersión o el material luminiscente; una película reflectante, que está dispuesta para reflejar la luz incidente dentro de una banda de longitud de onda de IR mientras que es altamente transmisora para al menos la mayor parte de la luz que tiene una longitud de onda dentro de la banda de longitud de onda visible; en el que el primer material, el elemento de difracción y la película reflectante están dispuestos de manera que al menos una parte de la energía asociada con la luz IR incidente desde una dirección transversal del panel espectralmente selectivo se guía dentro de y a lo largo del panel hacia una parte lateral del panel.
2. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 1 que comprende al menos una célula fotovoltaica que está situada en o cerca de la parte lateral del panel espectralmente selectivo para recibir la luz que se dirige hacia la parte lateral.
3. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 1 o 2 en el que el elemento de difracción está compuesto parcialmente del primer material.
4. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el elemento de difracción es una rejilla.
5. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 4 en el que el elemento de difracción es una rejilla de fase y tiene un periodo de rejilla en el intervalo de 2 µt? a 6 jum.
6. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el elemento de difracción está intercalado entre las partes del panel espectralmente selectivo.
7. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la pluralidad de surcos está llena al menos parcialmente con un material luminiscente.
8. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el elemento de difracción comprende un material de dispersión que está situado en el primer material.
9. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 8 en el que el material de dispersión comprende una estructura laminada y está dispuesto para dispersar la luz en una dirección preferente.
10. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el elemento de difracción está incluido en una capa que está intercalada entre las partes de panel componentes y en el que la capa comprende el elemento de difracción en una parte lateral.
11. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende al menos dos elementos de difracción que están incluidos en una capa que está intercalada entre las partes de panel componentes y en el que la capa comprende los elementos de difracción en partes laterales respectivas.
12. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 10 u 11 en el que la capa funciona también como un adhesivo que acopla las partes de panel componentes a la capa.
13. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un material de dispersión que comprende partículas de tamaño micro o nanométrico.
14. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 13 en el que la dispersión de la luz se consigue de una manera sustancialmente sin pérdidas dentro del intervalo de longitud de onda IR y/o visible y en el que el material de dispersión comprende partículas de óxido de tierras raras.
15. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un hueco entre las partes del panel.
16. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 15 en el que el hueco está lleno de aire.
17. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 15 o 16 en el que el elemento de difracción está situado en o sobre el hueco.
18. El panel espectralmente selectivo de la reivindicación 17 en el que el elemento de difracción comprende una pluralidad de surcos y está situado de manera que la pluralidad de surcos está localizada en el hueco.
19. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende una capa superior sobre la cual la luz es incidente antes de la transmisión a través de la primera parte del panel espectralmente selectivo.
20. El componente espectralmente selectivo de la reivindicación 19 en el que la capa superior es una estructura multicapa que es altamente transmisora o incluso antirreflectante para la luz visible y está dispuesta para reflejar una parte de la luz IR.
21. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el material luminiscente comprende luminóforos visiblemente transparentes que están dispuestos para la absorción de luz IR.
22. El panel espectralmente selectivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el material luminiscente está dispuesto para la emisión de luz luminiscente mediante la conversión al alza o a la baja de la frecuencia de la luz recibida.
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