MXPA06008501A - Procedimiento de la transformacion de energia de radiacion solar en corriente electrica y calor con reflectores de filtros de interferencia selectivos de color y un dispositivo de un colector solar concentrador con reflectores selectivos de color par - Google Patents
Procedimiento de la transformacion de energia de radiacion solar en corriente electrica y calor con reflectores de filtros de interferencia selectivos de color y un dispositivo de un colector solar concentrador con reflectores selectivos de color parInfo
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Abstract
La invencion concierne a un metodo y a un mecanismo de un colector solar concentrador para fraccionar la radiacion solar mediante un reflector selectivo de color en diversos colores espectrales y para concentrarla en varias celulas fotovoltaicas semiconductoras optimizadas de diversos colores de luz. Sirve para la transformacion de energia de la radiacion en corriente electrica y calor con una elevada eficacia.
Description
Procedimiento de la transformación de energía de radiación solar en corriente eléctrica y calor con reflectores de filtros de interferencia selectivos de color y un dispositivo de un colector solar concentrador con reflectores selectivos de color para la aplicación del procedimiento.
La invención concierne a un método y a un mecanismo de un colector solar concentrador para fraccionar la radiación solar mediante un reflector selectivo de color en diversos colores espectrales y para concentrarla en varias células fotovoltaicas semicondutoras optimizadas de diversos colores de luz. Sirve para la transformación de energía de la radiación solar en corriente eléctrica y calor con una elevada eficacia. Ya existen diversos tipos de colectores de radiación solar y transformadores de energía solar. Los colectores solares térmicos, que transforman la radiación solar incidente en energía calorífica para calentar de este modo un medio portador (agua, aceite, gas, etc.), son de muchas clases en la implementación para climatización de interiores y en combinación con procesos cíclicos termodinámicos, como bombas térmicas, motores Stirling y ciclos de Rankine. Esta transformación indirecta de la radiación solar exérgica por un desvío de energía térmica anérgica de nuevo a energía eléctrica exérgica, presenta grandes pérdidas y está limitada en principio por la eficiencia del Carnot. Para alcanzar altas temperaturas son necesarias tecnologías de concentradores, como espejos cóncavo o espejos de Fresnel, que sólo pueden utilizar radiación directa, pero no luz difusa cuando está nublado. Por ello las centrales térmicas solares para la generación de corriente son económicamente rentables principalmente solo en zonas especialmente soleadas. Para la transformación directa de luz en corriente eléctrica entran en uso "fotocélulas" semiconductoras. Fundamentalmente estos materiales o combinaciones semiconductores en particular son apropiados solo para determinados alcances espectrales de la radiación solar incidente. Un alto porcentaje de la energía de radiación no se puede utilizar para la producción de corriente. Esta energía se convierte en calor y un aumento de la temperatura eleva las pérdidas por recombinación de los semiconductores en la transformación de energía fotovoltaica. Para aplicaciones de superficie grande, los colectores planos de silicio policristalino han alcanzado hasta ahora la mayor expansión en el mercado. Estos alcanzan hasta ahora 12 - 17 % de eficacia y pueden utilizar luz directa y difusa. Junto al silicio también son conocidos otros materiales semiconductores que para determinados colores de luz muestran una alta eficiencia cuántica. Entre ellos destacan particularmente GaAs, CdTe, GalnP, InP, GalnN, CuS2, CuInS2, CuIn(GaSe)2, Ge, CdSe, a-Si:H y diversas aleaciones con 4 y más elementos de aleación, especialmente con porcentajes de elementos del 3 o y 5 o grupo principal. La producción de muchas de estas aleaciones resulta relativamente cara frente al Si. Los costes de producción de la corriente solar generada hasta ahora no pueden competir con los de otras fuentes de energía. Algunas tecnologías de capa delgada en este aspecto prometen potenciales de reducción de costes, como también el DSC de estructuras microporosas y de punto cuántico, como p. ej . las células de Gratzel. Los mecanismos de pérdida en cada uno de los materiales semiconductores conocidos para células solares a penas pueden continuar optimizándose debido a que, por razones físicas, están predeterminados por el material empleado. Esto lleva a un eficacia teórica máxima, a modo de ejemplo, del 27 % aproximadamente en el caso del silicio de la máxima pureza. Algunos sistemas de capas de materiales semiconductores con diferentes brechas de energía para el aprovechamiento de zonas espectrales mayores, así como algunos sistemas de capas nanoporosas, permiten esperar una mayor elevación de la eficiencia de la iluminación. Otros potenciales de optimización de costes los constituyen las tecnologías de concentradores. En lugar de superficies semiconductoras grandes, relativamente caras, se intenta concentrar la luz mediante componentes ópticos económicos, como lentes o espejos cóncavos, para iluminar superficies semiconductoras pequeñas pero altamente eficientes con una intensidad luminosa muy concentrada. Para ello se reducen claramente los costes de los semiconductores por superficie y por vatio, sin embargo las tecnologías de concentradores son poco apropiadas para el aprovechamiento de radiación difusa, lo cual supone un gran inconveniente en las zonas climáticas templadas con frecuente nubosidad. Esto hace necesario elevadas eficiencias de las células para alcanzar por lo menos el mismo rendimiento de energía anual por superficie, como los módulos fotovoltaicos de celdas planas usuales. Conseguir esta elevada eficiencia de las células requiere tecnología de células apiladas (sistemas de capas con varias capas de semiconductores diferentes) o la transformación fotovoltaica de longitudes de onda no utilizables en longitudes de onda utilizables con las fotocélulas semiconductoras dadas, p. ej . con capas separadoras de fotones o luminiscentes. Un inconveniente de dichas capas múltiples apiladas es que ya en las capas de cubrición se absorbe y se termaliza o se refleja una parte de la radiación que en realidad debe llegar a las capas inferiores. Además son necesarios más pasos para la producción, lo que eleva los costes. Un planteamiento del mismo modo conocido para reducir estas pérdidas es la separación espacial de la radiación solar en sus colores de luz. Estas zonas de longitud de onda definida de la luz son dirigidas por tanto del mismo modo hacia células solares espacialmente separadas desde semiconductores optimizados para los correspondientes colores de la luz. Los concentradores holográficos sobre redes de difracción han mostrado también nuevas fuentes de pérdida y de problemas (pérdidas de absorción y pérdidas por fuga, así como resistencia a la acción de la luz ultravioleta, al envejecimiento y a la humedad de los hologramas) y hasta ahora no han podido conseguir su expansión en el mercado. En este sentido los reflectores de interferencia son más adecuados. Se sabe desde hace tiempo que por medio de la interferencia en capas delgadas se pueden fortalecer o debilitar las reflexiones. La interferencia constructiva se aplica p. ej . con reflectores dieléctricos y filtros ópticos de color, y también vidrios calorífugos para reforzar la reflexión para conseguir una zona de longitud de onda deseada. La interferencia destructiva se utiliza para capas antireflejo, de modo que en una absorbción no influenciada se pueda obtener factores de transmisión claramente mas elevados, p. ej . con cristales o lentes fotoópticas (supresión de reflexiones) . Mediante capas superpuestas de muchas capas dieléctricas de alta transparencia, mediante la variación del grosor de las capas y del índice de refracción, se puede cubrir también un ancho de banda espectral mayor con interferencia constructiva y se puede obtener un grado de reflexión hasta por encima del 99% . Así se han probado como reflectores de interferencia p. ej . capas discontinuas =/4 de dióxido de silicio y pentóxido de tántalo. La producción hasta ahora de estos reflectores de interferencia mediante desprendimiento de átomos por bombardeo iónico con magnetrón en el alto vacío es tanto más cara cuanto más capas sean necesarias. Estos costes no han aportado hasta ahora ninguna ventaja económica frente a la producción de células apiladas. También otros materiales transparentes con un índice de refracción óptica muy diferente pueden constituir dichos sistemas de capas. Recientemente hay láminas reflectoras interferenciales de plástico o se habla también de procesos de producción de vidrios blandos de tipo plástico orgánicos e inorgánicos, que se pueden fabricar, en el procedimiento de laminación y de estirado, también con varios cientos de capas <>/4 como láminas, en comparación, a un precio razonable . Lo problemático de dichos folios es la resistencia a la acción de la luz ultravioleta (UV) y la resistencia al envejecimiento, la resistencia a la humedad, la electricidad estática (tendencia a ensuciarse) y la estabilidad mecánica, lo que hasta ahora hacía parecer poco adecuada su implementación en colectores solares bajo condiciones meteorológicas y hacía encontrar campos de aplicación de dichas láminas de color cambiante más en el campo de envoltorios decorativo. Otro problema en su aplicación en colectores solares es la suciedad superficial y la conservación de dichas capas de reflectores de interferencia bajo condiciones climáticas.
La invención se basa en la tarea de encontrar materiales y estructuras de filtro de interferencia apropiados para la radiación solar, que se puedan fabricar a un bajo coste y con una escasa tendencia a ensuciarse, a la descoloración o corrosión bajo la influencia de temperaturas cambiantes, de la humedad del aire también en la zona del punto de condensación, así como del efecto del polvo.
Este cometido se resuelve como a continuación se expresa: Propio de un mecanismo conforme a la invención es que la luz se separe con láminas reflectoras de interferencia móviles en como mínimo dos zonas espectrales de longitud de onda, donde se refleje en cada lámina respectivamente una zona de longitud de onda y se transmita una parte.
La radiación solar directa se concentra antes refractiva, p. ej . con lentes de Fresnel, o reflectiva, p. ej . con espejos cóncavos o con espejos cóncavos de Fresnel. Delante del foco óptico se disponen una o varias de estas láminas reflectoras de interferencia, de tal modo que se produzca respectivamente un foco óptico para la fracción de luz reflectada y también para la fracción de luz transmitida. En el campo de estos focos ópticos se colocan fotocélulas de dichos materiales semiconductores que en lo posible muestran una eficiencia óptima para la correspondiente zona de longitud de onda en la transformación de la radiación de luz en corriente eléctrica. Los reflectores de interferencia selectivos de color se realizan con láminas que, igual que una película en el cine, se mueven lentamente de rollo en rollo a través del cono de luz. Esto ofrece la ventaja de que se pueden utilizar láminas de plástico de bajo coste. Muchos materiales plásticos ópticamente transparentes, pero económicos, bajo una fuerte acción de la luz, especialmente con la radiación solar que contiene rayos UV, muestran evidencias de envejecimiento, como el progresivo amarilleo, la fragilidad con pérdida de resistencia o encogimiento. Este proceso se puede acelerar mediante la acción de la humedad y del polvo y también las propiedades ópticas de la superficie se ven negativamente afectadas. Gracias a la continua renovación de los segmentos de la lámina situados en los conos de luz se pueden evitar perjuicios en el funcionamiento de los reflectores de filtro mediante la degradación y ensuciamiento inducida por la luz. Este proceso de avance de la película puede durar semanas, meses, o años, según el material de las láminas y la potencia de la luz. Por consiguiente, según la longitud de los rollos de lámina se pueden alcanzar también tiempos de funcionamiento muy prolongados de varios años, sin que sea necesario un cambio y renovación de los rollos de lámina. Para los elementos de construcción transmisores de la luz (lentes de Frensel, láminas de reflectores de interferencia) del mecanismo, conforme a la invención, son imple entados preferentemente materiales que muestren, junto al espectro visible, también una alta transmisibilidad para la radiación NIR de hasta aproximadamente 2 µm. Los vidrios blandos de flúor polímero y fluoruro permiten pasar la luz solar en un amplio esprectro de frecuencias. Una transparencia para rayos ultravioleta reduce la degradación de las láminas y mejora el rendimiento energético. Para un amplio campo espectral hasta dentro de los NIR son aplicables sistemas de capas delgadas en forma de láminas termoplásticas con materias plásticas de base transparentes (PMMA, PC, estírenos) con componentes de telurio o compuestos de flúor. Se laminan varias veces de modo superpuesto dos láminas de plástico respectivamente con diferentes índices de refracción ópticos en la zona de la temperatura de reblandecimiento, hasta que el espesor de capa de las capas individuales alcance una cuarta parte de la longitud de onda reflectante. Las fotocélulas dispuestas en el foco óptico delante y detrás de la o las láminas reflectoras de interferencia son expuestas a rayos con alta intensidad luminosa, propias de una zona de concentración solar de 50-2500 capas. Las células precisan un diseño adaptado a la corriente fotoeléctrica prevista (células concentradoras) . Si la brecha de energía del semiconductor está bien ajustada al margen de los colores de luz correspondiente, la eficiencia cuántica de la transformación fotovoltaica es elevada y la generación de calor proporcionalmente correspondiente es inferior. El calor que surge no obstante, sin embargo debe ser eliminado, por ejemplo por una refrigeración por agua. Por ello las fotocélulas se colocan en un disipador térmico, que puede circular gracias a un fluido refrigerante. Junto al agua y soluciones acuosas, para ello también pueden emplearse disolventes orgánicos, medios clásico de refrigeración (p. ej . R134, propano, etc.), disolventes binarios (p. ej . disolventes de amoniaco) o también gas (como helio) bajo una alta presión de trabajo. Junto al funcionamiento de calefacciones, también se pueden poner en funcionamiento p. ej . máquinas frigoríficas de absorción, sistemas ORC
(Organic-Rankine-Cycle) , bombas térmicas Villumier y convertidores MCE (Magneto-Caloric-Effect) .
Un sistema de capas muy delgadas con función termoiónica, p. ej . de BÍ2 e3/Sb2 e3 (ter odiodos) , entre células solares y el disipador térmico puede transformar parcialmente el flujo de calor originado en corriente eléctrica si fuera necesario. Por lo tanto, se puede aumentar así también el rendimiento eléctrico. En lugar de sobre una célula solar, una fracción de la luz también puede alimentarse en una guía de ondas fibroóptica (LWL) . De este modo se puede utilizar p. ej . luz azul con sol para reacciones fotoquímicas en un recipiente de reacción cerrado, que se puede instalar también en espacios sin iluminación.
En la figura 1 se representa un ejemplo de ejecución del mecanismo conforme a la invención con concentradores refractivos .
En un entramado 6 están incorporadas lentes de Fresnel convexas en la placa de limitación superior transparente dirigida hacia la luz. Cada una de estas se alinea perpendicularmente a la posición del sol, con lo que la parte exterior de la placa de limitación superior puede tener preferentemente un recubrimiento antireflejo o Easy-To-Clean
(superficie repelente a la suciedad y al agua) . Debajo se encuentra una placa de limitación inferior 8, que está situada paralelamente a la placa de limitación superior con la lente de Frensel 1 y con esta y las paredes laterales del entramado 6 construye una amplia caja impermeable al agua y al polvo. La profundidad del entramado 6, es decir, la distancia entre la lente de Fresnel superior 1 y la placa de limitación inferior 8, corresponde aproximadamente a la distancia focal de la lente de Fresnel 1 utilizada. En la placa de limitación inferior 8 hay fotocélulas de germanio para radiación NIR 5b, justo en la posición donde se encuentra el foco de las lentes de Fresnel. Estas están montadas en el disipador térmico 7, que pueden pasar gracias a un fluido. Si las lentes de Fresnel 1 se colocan perpendicularmente al sol, se forma respectivamente un cono de luz y la radiación se concentra sobre la correspondiente fotocélula de germanio, de pequeña superficie en comparación con la lente de Fresnel, para la radiación NIR. El conductor germanio tiene una brecha de energía mínima y en una fotocélula, especialmente para la radiación NIR eficiente hasta 2 µm, para luz visible sin embargo es poco apropiado. Entre las lentes de Fresnel 1 y la placa de limitación inferior 8 se coloca una lámina reflectora de interferencia 2 de varios metros de largo en forma de cinta que se enrolla en un husillo 3. Desde este husillo desbobinador 3 se rebobina en el transcurso del tiempo de uso del mecanismo en un husillo bobinador 4, de tal modo que la lámina reflectora 2 avanza lentamente a través del correspondiente cono de luz de la lente de Frensel 1. La lámina reflectora de interferencia 2 se compone de varias capas de dos materiales plásticos transparentes, que alternan apilados uno sobre otro, con diferente índice de refracción óptico, p. ej . PMMA y poliestirol. Alternativamente pueden usarse también otros materiales plásticos con mejor resistencia a la luz UV y transparencia NIR. El grosor de la capa de estas capas de material plástico debe encontrarse dentro del marco de 88 -200 nm, por lo que se produce una alta reflexión para longitudes de onda en el campo VIS (350 - 800 nm) , mientras se transmite radiación NIR. La distancia de esta lámina reflectora de interferencia 2 entre las lentes de Fresnel 1 y la placa de limitación inferior 8 es casi igual, de tal modo que el foco de la luz VIS reflectada por la lámina reflectora de interferencia 2 se encuentra a poca distancia del centro de la lente de Fresnel 1 de la placa de limitación superior. En este foco en el centro de la lente de Fresnel 1 se coloca una fotocélula de silicio así mismo en un disipador térmico 7 que deja pasar el fluido para la radiación VIS 5a. El semiconductor silicio tiene una brecha de energía grande como el germanio, y es aplicable en una fotocélula para radiación VIS 5a, para la radiación NIR a partir de 1,2 µm sin embargo no es apropiada. En lugar de silicio y germanio se pueden emplear también otros semiconductores como GaAs, CdTe, GalnP, InP, GalnN, etc., como se ha mencionado anteriormente.
En la figura 2 se representa un modelo de ejecución de la invención que dirige no sólo dos, si no cuatro diferentes zonas de longitud de onda (colores de la luz) hacia cuatro diferentes fotocélulas. Frente al modelo de ejecución en la figura 1 se puede conseguir con este otro un rendimiento eléctrico aún mejor. La placa de cubierta de cristal está provista en el lado exterior de un sistema de capas de láminas reflectoras de interferencia de varias capas resistente a las condiciones meteorológicas, p. ej . de dióxido de silicio y pentóxido de tántalo, con un espesor de capa de 55 - 110 nm respectivamente, que refleja la luz ultravioleta y azul, y transmite componentes de la radiación verdes, amarillos, rojos y radiaciones infrarrojas cercanas hasta por lo menos 2 µm de longitud de onda. La placa de cristal se estampa en forma de cubeta abombada y en el lado interior muestra las lentes de Frensel con espejo cóncavo de interferencia frontal para luz azul 10 con sus características estructuras acanaladas. Las bóvedas con forma de cubeta con los sistemas de capas de reflectores de interferencias tienen a su vez la función de un espejo cóncavo. Si el entramado 6 con las lentes de Fresnel con espejo cóncavo de interferencia frontal para luz azul 10 se coloca perpendicular al sol, se forma un cono de luz mediante las bóvedas con forma de cubeta con el sistema de capas de reflectores de interferencia por encima de estos espejos cóncavos con luz UV y luz azul reflectante respectivamente. En los focos de estos espejos cóncavos respectivamente se disponen fotocélulas 15a que muestran una alta eficiencia cuántica para radiaciones de luz azul y UV, p. ej . de InGaP o CdS . Bajo las lentes de Fresnel con un espejo cóncavo de interferencia frontal para luz azul 10 respectivamente aparece un cono de luz de las partes no reflejadas de luz verde, amarilla, roja y NIR, que siguen fraccionándose con las láminas reflectoras de interferencia 2 conforme a la invención. Entre la lentes de Fresnel con espejo cóncavo de interferencia frontal para luz azul 10 y la placa de limitación inferior 8 se disponen dos diferentes láminas reflectoras de interferencia 2 en forma de cintas superpuestas, que son bobinadas respectivamente por un husillo 3 de desbobinado hacia un husillo 4 de rebobinado a través del cono de luz. Un movimiento relativo de las láminas reflectoras de interferencia 2 dentro del cono de luz puede producirse también mediante desalineación axial de los husillos 3, 4 en referencia a la zona con la concentración de luz más alta, puesto que hay que contar con un deterioro menor de las láminas mediante degradación inducida por la luz en los bordes del cono de luz en virtud de una menor concentración de radiación y tiempo de espera. Cuando la lámina ha sido bobinada del husillo 3 que desbobina hacia el husillo 4 que rebobina, la lámina desde allí puede ser rebobinada de nuevo en el primer husillo 3 mediante desplazamiento axial de los husillos 3 y 4, y por lo tanto se puede prolongar el tiempo de utilización de la respectiva lámina reflectora de interferencia 2. Mientras la primera lámina reflectora de interferencia para radiación VIS verde y amarilla 12a refleja una zona de longitud de onda de aproximadamente 440 - 650 nm (verde y amarillo) sobre una fotocélula optimizada para radiación VIS verde y amarilla 25b p. ej . de GaAs, se extiende la segunda lámina reflectora de interferencia, que está a alguna distancia por debajo, para radiación VIS roja 12b, para un campo de reflexión de aproximadamente 650 - 1100 nm. En su foco superior, dispuesto entre las dos láminas reflectoras de interferencia 2, puede desarrollar, p. ej . una fotocélula de dos lados, su óptima eficiencia para radiación VIS roja 15c. La carcasa para la refrigeración de fluidos con el disipador térmico 5c es transparente preferentemente para la zona de radiación de 650 - 2000 nm, del mismo modo que el fluido de refrigeración. Las fotocélulas más inferiores para la radiación NIR 5d sobre la placa de limitación inferior 8, están optimizadas para la radiación NIR de 1,1 - 2 µm, y podrían estar constituidas, como por ejemplo, por el conductor germanio o InGaAs . Varios de estos entramados pueden montarse sobre apropiados chasis o mástiles, equipados con accionamientos de giro, que colocan los entramados 6 respectivamente perpendicularmente a la actual posición del sol, de tal modo que la radiación directa mediante las lentes de Fresnel con el espejo cóncavo de interferencia para luz azul 10 esté siempre enfocada hacia las fotocélulas.
En la figura 3 se representa un mecanismo conforme a la invención con concentradores reflectivos, en el que se realiza la concentración de la radiación solar con espejos cóncavos de Fresnel. Estos pueden realizarse con espejos individuales, que estén dispuestos de modo móvil para el seguimiento de la situación del sol sobre superficies de tejados, fachadas o superficies libres. La radiación directa del sol se dispone por un receptor solar en forma de un entramado 6, que contiene diversas fotocélulas suficientemente protegidas de las condiciones meteorológicas, constituidas por diversos semiconductores, así como una o varias láminas reflectoras de interferencia 2 conforme a la invención, que son rebobinados respectivamente mediante el husillo 3 que desbobina al husillo 4 que rebonina a través del cono de luz que entra en el receptor solar del espejo cóncavo de Fresnel 11 o a través de un cono de luz ya reflejado por las primeras láminas reflectoras de interferencia para la radiación VIS azul o radiación UV y VIS azul 22a. En este modelo de ejecución, las láminas reflectoras de interferencia 2 son dimensionadas de tal modo que las longitudes óptimas de ondas reflejadas para las respectivas fotocélulas 15a, 25b, 15c, 5d de las láminas reflectoras de interferencia 22a, 22b, 2c en particular entran con un ángulo de iluminación de 45° aproximadamente.
En la figura 4 se muestra un receptor solar para la disposición del espejo cóncavo de Fresnel representado en la figura 3. En este caso una lámina reflectora de interferencia de radiación VIS azul y verde 32a, colocada en la zona de entrada de la luz del entramado 6, refleja una zona espectral de la luz definida, p. ej . azul, verde y amarilla, sobre una fotocélula de radiación VIS azul y verde 45a, situada fuera del entramado 6, p. ej . de GaAs . Los componentes de las radiaciones rojas y NIR, transmitidos por las primeras láminas reflectoras de interferencia de radiación VIS azul y verde 32a, son dirigidos hacia una segunda lámina reflectora de interferencia de radiación VIS amarilla y roja 32b, que refleja el componente de luz rojo p. ej . sobre una fotocélula de silicio de radiación VIS amarilla y roja 35b y transmite un NIR, que incide sobre una fotocélula de germanio de radiación NIR c5.
En la figura 5, del mismo modo, se muestra un receptor solar para la disposición del espejo cóncavo de Fresnel representado en la figura 3. En este caso se aprovecha la circunstancia de que la misma lámina reflectora de interferencia de radiación VIS azul y verde 32a, refleja otra zona de longitud de onda irradiada con un ángulo de entrada de 0° aproximadamente , cuando esta es en ángulo de radiación plano, p. ej . de aproximadamente 45° de caída. En el ejemplo de ejecución de la figura 5 se muestra la lámina reflectora de interferencia de radiación VIS azul y verde 32a con un respectivo espesor de capa de las capas de material plástico alternantes en el marco de 100 - 132 nm y reflejan en radiación perpendicular la luz azul y verde, mientras que se transmiten la amarilla, roja y NIR. Si esta parte de radiación, transmitida en un primer lugar, pasa otra vez la misma lámina, sin embargo ahora en un ángulo agudo , p. ej . de 40° - 50° aproximadamente, se refleja entonces la luz amarilla, mientras que la roja y NIR por el contrario se transmiten ampliamente.
En la figura 6 se representa como una o varias de las partes de luz separadas con láminas reflectoras de interferencia 2 también pueden ser alimentadas en vez de una fotocélula en una guía de ondas 9, p. ej . con un tubo cargado de fluido, y pueden ser transportadas por distancias limitadas a otro lugar. Este caso de aplicación se muestra por medio de la forma de ejecución del mecanismo ya representada en la figura 1 con concentrador de luz refractivo. El foco de la lente de Fresnel 1 se encuentra en una alineación exacta según la situación del sol en la zona del la entrada de la fibra de vidrio. Una cantidad arbitraria de dichas guías de ondas 9, se resume y la radiación puede dirigirse al otro extremo de estas guía de ondas 9, p. ej . a un reactor fotoquímico, a una fotocélula de radiación NIR 55b o a otras superficies o lugares a iluminar. Esto puede ofrecer algunas ventajas. Así se puede encontrar un fotoreactor en un espacio separado
(calentado o con aislamiento calorífugo) o una fotocélula directamente en un depósito colector de agua de refrigeración
(p. ej . en una piscina) . En lugar de p. ej . guías de ondas de vidrio de cuarzo, se pueden emplear también, como guías LWL, tuberías cargadas de fluido, con lo que se puede reducir la pérdida de calor y se puede simplificar la refrigeración de una fotocélula.
El mecanismo conforme a la invención se diferencia de los colectores solares conocidos hasta ahora, así como de otros mecanismos de alimentación por luz de guías de ondas, en que la luz se separa con láminas reflectoras de interferencia móviles 2, como mínimo en dos campos de longitud de onda espectrales, con lo que en cada lámina reflectora de interferencia 2 respectivamente se refleja una zona de longitud de onda y una parte se transmite. La radiación solar directa se concentra antes refractiva, p. ej . con lentes de Fresnel 1, o reflectiva, p. ej . con espejos cóncavos o con espejos cóncavos de Fresnel 11. Delante del foco óptico se disponen una o varias de estas láminas reflectoras de interferencia 2, de tal modo que se produzca respectivamente un foco óptico para la fracción de luz reflectada y también para la fracción de luz transmitida. En el campo de estos focos ópticos se colocan fotocélulas de dichos materiales semiconductores que en lo posible muestran una eficiencia óptima para la correspondiente zona de longitud de onda en la transformación de la radiación de luz en corriente eléctrica. Los reflectores de interferencia selectivos de color se realizan con láminas reflectoras de interferencia 2, que se mueven lentamente de rollo en rollo por los husillos 3 y 4 a través del cono de luz.
La invención ofrece varias ventajas. La tecnología de concentradores tiene la ventaja de que la luz se concentra mediante componentes ópticos de bajo coste relativamente (espejos, lentes de Fresnel) sobre superficies semiconductoras solamente pequeñas, y así se ahorra en superficies conductoras caras.
La separación de la radiación solar en varios campos de longitud de onda (colores de luz) ofrece la ventaja de que las diferentes fotocélulas semiconductoras, que están optimizadas en respectivas longitudes de onda, se pueden poner en funcionamiento con una eficiencia de transformación fotovoltaica más alta, lo que mejora el rendimiento eléctrico en total.
El enrollado lento con los husillos de rosca 3 y 4 de las láminas reflectoras de interferencia 2 de rollo en rollo a través del cono de luz, tiene la ventaja de que las partículas de suciedad sobre estas superficies y los deterioros por la humedad, las partículas de suciedad quemada y la degradación inducida por la luz no tienen un efecto perjudicial prolongado, ya que los segmentos de las láminas reivindicados son renovados continuamente. Estas láminas reflectoras de interferencia delgadas 2 se pueden fabricar con materias primas sintéticas asequibles a buen precio y a escala industrial en producción en masa mediante procedimientos de laminación y de estirado. No se precisa ningún proceso separador de CVD o por epitaxia que eleve los costes .
Los espejos cóncavos de Fresnel móviles 11, integrados en las construcciones de tejados y fachadas, como se representa en la figura 3, tienen además la ventaja de que pueden ser combinados con superficies solares laminares para luz débil, como p. ej . la tecnología DSC (Dye Sensitized Cell) , por lo que en caso de nubosidad los espejos cóncavos de Fresnel 11 se giran de tal modo que estas superficies DSC se iluminan óptimamente. De este modo se puede aprovechar tanto la luz dirigida directamente como también la luz difusa en una zona espectral grande, por lo que el rendimiento de energía anual se puede aumentar considerablemente. Estas superficies colectoras silenciosas y casi exentas de mantenimiento además pueden fijarse de modo óptimo integrado en las zonas existentes en los edificios, el las farolas de la calles y mástiles, puesto que las superficies colectoras no deben estar unidas y pueden estar compuestas de diversas formas configuradas de diseño e "islas", las cuales pueden concentrar una alta potencia luminosa. Con un dimensionado apropiado de las láminas reflectoras de interferencia 2 y superficies semiconductoras, así como con una orientación exacta hacia el sol, el rendimiento debería ser claramente mayor que con los sistemas fotovoltaicos tradicionales. Mediante un coste de inversión claramente más bajo y un estudio y elección de emplazamiento sin problemas se podría conseguir una mayor rentabilidad también en comparación con módulos de superficies que utilizan luz difusa.
La alimentación en guías de ondas de luz (LWL) ofrece la ventaja de que la energía de la luz concentrada de grandes superficies respectivamente de un campo de longitud de onda definido puede ser transportada por una distancia limitada por caminos no rectilíneos y puede ser focalizado hacia superficies mínimas. Esta luz puede servir para iluminar espacios interiores y sótanos sin ventanas. Se pueden gestionar también sistemas para el análisis catalítico del agua (obtención de hidrógeno) , depuración biológica de aguas o reacciones químicas fotocatalíticas . Es posible una producción de biomasa más efectiva por fotosíntesis (p. ej . producción de algas), sumergiendo las fibras en fluidos turbios de modo que ya no sean necesarias costosas construcciones de serpentines de vidrio (que no son termoaislantes) , como de momento se vienen usando con frecuencia. La radiación roja y la infrarroja no son utilizables para la fotosíntesis por lo general, de manera que pueden ser utilizadas con el mecanismo conforme a la invención proporcionalmente para la generación de corriente. La fotosíntesis y la producción de corriente no es posible con otros mecanismos de alimentación para guías de ondas.
Señales de referencia
1 Lentes de Fresnel (concentrador refractivo de luz)
2 Lámina reflectora de interferencia
2c Lámina reflectora de interferencia para radiación VIS roja hasta NIR < llOOnm
3 Husillo de desbobinar
4 Husillo de rebobinar
5a Fotocélulas de silicio para radiación VIS
5b Fotocélulas de germanio para radiación NIR
5c Fotocélulas para radiación NIR p. e . de Ge
5d Fotocélulas para radiación NIR
6 Entramado
7 Disipador térmico
7a Disipador térmico, depósito relleno con fluido
c Disipador térmico de fotocélulas 15c
Placa de limitación inferior Guías de ondas de luz, p. ej . tubos cargados de fluido
Lentes de Fresnel con espejo cóncavo de interferencia frontal para luz azul
Espejo cóncavo de Fresnel (concentrador reflectivo de luz)
a Lámina reflectora de interferencia para radiación VIS verde y amarilla
b Lámina reflectora de interferencia para radiación VIS roja hasta NIR < llOOnm
a Fotocélulas para radiación VIS azul
c Fotocélulas para radiación VIS roja hasta NIR < llOOnm
a Lámina reflectora de interferencia para radiación VIS azul o UV y radiación VIS azul
b Lámina reflectora de interferencia para radiación VIS verde y amarilla
b Fotocélulas para radiación VIS verde y amarilla
a Lámina reflectora de interferencia para radiación VIS azul o verde
b Lámina reflectora de interferencia para radiación VIS amarilla y roja hasta NIR < llOOnm
35b Fotocélulas para radiación VIS amarilla y roja hasta NIR < llOOnm , p. ej . de Si
45a Fotocélulas para radiación VIS azul o verde p. ej . de GaAs
45b Fotocélulas para radiación VIS amarilla y roja p . ej . de Si
55a Fotocélulas para radiación VIS
55b Fotocélulas para radiación NIR
Claims (11)
1. Procedimiento de la transformación de la energía de radiación solar en corriente eléctrica y calor con uno o varios reflectores de filtro de interferencia, los cuales fraccionan la radiación solar en diversos campos de longitud de onda y la concentran sobre diversas células fotovoltaicas semiconductoras optimizadas de diferentes colores de luz, caracterizado por que la luz se separa en dos campos espectrales de longitud de onda como mínimo, mediante láminas reflectoras de interferencia (2) dispuestas de modo móvil, con lo que en cada lámina respectivamente se refleja un campo de longitud de onda y una parte se transmite.
2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado por que la radiación de sol directa, antes del fraccionamiento en dos o más campos de longitud de onda, se concentra refractiva o reflectivamente, y uno o varias láminas reflectoras de interferencias (2) móviles en uno o dos campos se disponen de tal modo ante el campo de mayor concentración de luz como foco óptico, que en cada caso produce un foco óptico para la fracción de luz reflejada por la lámina reflectora de interferencia (2) y también para la fracción transmitida por la lámina reflectora de interferencia (2), con lo que la situación geométrica de estos focos no cambia o sólo de modo insignificante con el movimiento unidimensional o bidimensional de las láminas reflectoras de interferencia (2).
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado por que el movimiento de la lámina reflectora de interferencia (2) se produce, además del rebobinado del husillo (3) al husillo (4), también mediante desalineación axial de los husillos (3 y 4) con respecto a la zona con la mayor concentración de luz .
Procedimiento según las reivindicaciones 1 y 3 caracterizado por que el rebobinado de la lámina reflectora de interferencia (2) se produce de modo continuo o discontinuo.
5. Dispositivo de un colector solar concentrador con reflectores selectivos de color, caracterizado por que hay colocadas lentes, preferiblemente lentes de Fresnel (1), en un entramado existente (6) por encima del colector solar orientado a la luz del sol, y en el foco óptico de la lente hay una fotocélula, y entre la lente y la fotocélula hay colocada una lámina reflectora de interferencia móvil.
6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que la lámina reflectora de interferencias (2) selectiva del color se exporta con una película de lámina flexible, que se puede mover con un segmento lentamente por el rebobinado del husillo (3) al husillo (4) mediante la radiación solar concentrada.
7. Dispositivo según la reivindicación 5 caracterizado por que en el campo de uno o más de estos foco ópticos hay dispuestas fotocélulas de dichos materiales semiconductores, cuya brecha de energía está ajustada al correspondiente campo de longitud de onda.
8. Dispositivo según la reivindicación 5 caracterizado por que en el campo de uno o más de estos foco ópticos respectivamente hay dispuesta un extremo de una guía de ondas (9) o una pieza de empalme hacia una de dichas guías de ondas de luz.
9. Dispositivo según reivindicación 7 caracterizado por que la fotocélulas son dispuestas en los disipadores térmicos (7) , que pasan por un fluido.
10. Dispositivo según reivindicación 7 caracterizado por que la fotocélulas son dispuestas en los disipadores térmicos (7), que pasan por un gas con presión de régimen > 1 bar.
11. Dispositivo según reivindicación 9 o 10 caracterizado por que entre las fotocélulas y los disipadores térmicos (7) hay dispuesto un sistema de capa delgada de semiconductores con una brecha de energía de menos de 0,7 eV.
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