WO2006079671A1 - Lente líquida solar - Google Patents

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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to a solar energy concentrating lens, characterized by its construction without spherical or geometric aberration, as well as being basically biconvex and being formed by various containers in which a refracting fluid is housed.
  • This substantially flat lens has dimensions and shapes appropriate to the focal length and predefined focus type, in order to minimize optical losses.
  • the "Black Body” is essentially a perfectly hermetic and thermally insulated enclosure, to prevent the leakage of internal heat, in which a hole (window) has been made, of small dimensions, through which a beam of light from The maximum possible intensity.
  • the Fresnel lens invented at the beginning of the 19th century, is characterized by being a thin lens with the possibility of large size, which has reached to this day without any improvement of its optical characteristics that allow an acceptable degree of concentration for use as solar collectors of large dimensions and small focal length.
  • Each one of the zones, rings or crowns that integrate it come from the section of a flat convex lens and has the angle of curvature of the corresponding part of the opening of the lens from which it comes, thus giving rise to the Fresnel lens.
  • the Fresnel lens has poor optical quality, great spherical aberration, numerous light losses due to its morphology, high focal imprecision and high cost; consequently, it is only used in functions where optical precision is not necessary, which significantly limits its scope.
  • the liquid solar lens is obtained as a result of introducing a series of modifications and rectifications in the Fresnel lens to solve the problems that it presents in relation to the concentration of solar energy, these are: 1. - Regarding cost and weight.
  • the high cost of the Fresnel lens is mainly due to its laborious manufacturing process, usually of solid glass, with high weight.
  • the light losses in the Fresnel lens occur on the upper surface of the lens, which are evaluated at approximately 30% of their total collection capacity.
  • the low optical quality and aberrations presented by the Fresnel lens generate a high dispersion of the captured light, around the theoretical focus of the lens.
  • each ring or crown of the circular liquid solar lens are identical to each other, with curved upper and lower facets, which generates a circular focus.
  • This type of lens has its origin when projecting the curvature sections on the flat base of a conventional convex flat spherical lens.
  • each linear zone of the rectangular liquid solar lens are identical to each other, with curved upper and lower facets, which generates a linear focus.
  • This type of lens has its origin when projecting the curvature sections on the flat base of a conventional convex flat cylindrical lens.
  • the liquid solar lens adopts a configuration with double curvature for each zone, ring or crown, a curvature in the upper part whose radius can be the same for different zones, rings or crowns, and another lower curvature whose radius will be generally different for each zone, ring or crown, which will depend from the distance to the optical axis and the refractive index of the fluid of each zone, ring or crown, and a double step with respect to the horizontal plane, very small from the top to minimize light losses, and more prominent from the bottom to achieve A perfect convergence of sunlight.
  • Figure 1 is an elevational view of the liquid lens plot of the invention in its linear performance rectangular observed in the same its light curvatu ⁇ ra outer convex, whose arrow (a) is determined by the height with respect to its theoretical position flat.
  • Figure 2 is a section elevation of the extre ⁇ mo side of this linear rectangular lens.
  • the present invention relates to a new liquid solar lens, which is formed by various transparent containers, in modules (1) of suitable geometry, constructed with processes widely used in industry, such as: injection, blowing, extrusion, molding, rotary smelting, or other systems, using materials resistant to sunlight, such as glass, polycarbonate, methacrylate, etc. , by using the appropriate tooling in each case, essentially characterized by the modularity of the containers that make up the different areas, crowns or rings of the lens, which can be self-supporting or have an additional structure that supports them, promoting the Big lens construction.
  • modules as diverse containers, identical in each of the zones, rings or crowns and which differ from the containers that make up the remaining zones, rings or crowns, both in the radii of curvature, and in the slope of the curvature of their upper and lower facets.
  • zones, rings or crowns are generally biconvex (2), may be planoconvex or concave - convex in the extre containers ⁇ mos lens in smooth transition (3), must be deformable to the stresses to which they can be subject and being these zones, rings or crowns arranged in the same plane, practically horizontal.
  • the vertical face of the containers which joins the upper and lower facets, is flat and inclined towards the optical axis, following the path of sunlight in order to avoid light losses due to interference, as well as that in order to enable solar tracking, in its horizontal and vertical rotation, the supporting structure, where appropriate, will be located in the optically neutral areas, coinciding with the vertical faces, so that generate additional energy losses.

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Abstract

Formada por módulos (1) en configuraciones biconvexas (2) en los módulos (1) centrales de la lente, pasando a ser planoconvexas y, finalmente, concavoconvexas en los módulos (1) extremos de la misma, en transición suave (3) y estando minimizadas todas sus crestas o surcos, así como disponiéndose plana e inclinada hacia el eje óptico la cara vertical, de unión de las facetas superior e inferior de los módulos (1), eliminando la aberración esférica por incorporación en los módulos (1) de fluidos refractantes con diferente índice de refracción y volumen muy reducido, en construcción con mínimo espesor y peso.

Description

LENTE LÍQUIDA SOIAR
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una lente concentradora de energía solar, caracterizada por su construcción sin aberración esférica o geométrica, asi como por ser básicamente biconvexa y estar formada por diversos recipientes en los que se aloja un fluido refractante . Esta lente, sensiblemente plana dispone de dimensiones y formas adecuadas a la distancia focal y tipo de foco predefinido, a fines de minimizar las pérdidas ópticas .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La utilización de lentes convencionales para la captación de la energía solar, presenta graves inconvenientes , debido fundamentalmente a su alto coste y elevado peso lo que dificulta la construcción de lentes de gran tamaño para captar gran cantidad de energía lumínica solar . Por otra parte para obtener un alto rendimiento de la energía solar, es necesario el empleo del denominado "Cuerpo Negro" , para lo cual se precisa de una altísima calidad óptica, imposible de obtener con las lentes ordinarias .
El "Cuerpo Negro" , es en esencia un recinto perfectamente hermético y aislado térmicamente, para evitar la fuga del calor interno, en el que se ha practicado un orificio (ventana) , de reducidas dimensiones, por el que penetra un haz de luz de la máxima intensidad posible . La lente Fresnel, inventada a comienzos del siglo XIX, se caracteriza por ser una lente delgada y con posibilidad de gran tamaño, la cual ha llegado hasta nuestros dias sin que se haya realizado ninguna mejora de sus características ópticas que permitan un grado de concentración aceptable para la utilización como colectores de energía solar de grandes dimensiones y de pequeña distancia focal .
Cada una de las zonas , anillos o coronas que la integran proceden de la sección de una lente planoconvexa y tiene el ángulo de curvatura de la parte correspondiente de la apertura de la lente de la cual procede, dando asi lugar a la lente Fresnel .
La lente Fresnel tiene una escasa calidad óptica, gran aberración esférica, numerosas pérdidas lumínicas por causa de su morfología, gran imprecisión focal y elevado coste; en consecuencia, sólo se emplea en funciones en las que la precisión óptica no es necesaria, lo que limita notablemente su campo de aplicación .
La experiencia acumulada en el desarrollo de la lente liquida modulada sin aberración esférica, ha posibilitado la aplicación de técnicas similares para resolver los graves problemas que presenta la lente
Fresnel .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La Lente liquida solar se obtiene como resultado de introducir una serie de modificaciones y rectificaciones en la lente Fresnel para solventar los problemas que presenta la misma en lo relativo a la concentración de la energía solar, estos son : 1. - Respecto al coste y peso .
El alto coste de la lente Fresnel se debe fundamentalmente a su laborioso proceso de fabricación, generalmente de vidrio macizo, con elevado peso .
Esto se solventa mediante la modulación de los anillos o facetas de la lente Fresnel, en pequeños recipientes que contienen un fluido refractante transparente, liquido, semiliquido o solidificable, de forma adecuada y distinta para cada recipiente, que configuran cada zona, anillo o corona y el conjunto de ellos forman la lente en su totalidad, con lo que quedan resueltos estos inconvenientes .
La construcción de estos recipientes , se realizará mediante un proceso similar al utilizado en la industria para la fabricación de botellas y otros recipientes, para lo que se emplean procesos de moldeado, inyección, extrusión, etc . y el uso de diferentes tipos de matriceria para darles forma, según se trate de lentes circulares o cilindricas .
2. - Respecto a su pérdida lumínica .
Las pérdidas lumínicas en la lente de Fresnel se producen en la superficie superior de la misma, las cuales están evaluadas en un 30 % de su capacidad total de captación aproximadamente .
Estas pérdidas son debidas tanto al ángulo de la facetas superiores como al hecho de eliminar la curvatura superior, sustituyéndola por un tramo plano y al redondeo de las esquinas de las zonas planas . Al objeto de minimizar estas pérdidas , se reduce progresivamente la pendiente de la curvatura de la faceta superior de cada una de los vasos longitudinales , anillos o coronas, la misma para las que integran cada anillo, de modo que la altura de los respectivos escalones queda notablemente reducida, lográndose, con esta solución, que las pérdidas por este concepto sean inferiores al 3 % de la capacidad total de captación lumínica .
3. - Respecto a su calidad óptica y aberraciones .
La baja calidad óptica y aberraciones que presenta la lente Fresnel, generan una alta dispersión de la luz captada, en torno al foco teórico de la lente .
Al objeto de subsanar estos inconvenientes , se han llevado a cabo las siguientes actuaciones :
a) En primer lugar, se sustituye su parte inferior plana por tramos de curvatura, que difieren en su radio y pendiente para cada zona, anillo o corona, al objeto de lograr la desviación adecuada de cada rayo óptico en forma precisa .
b) En segundo lugar, se modifica el Índice de refracción del fluido en cada una de las zonas , anillos o coronas que lo precisen, al objeto de que la pendiente de la curvatura inferior sea la menor posible y en consecuencia reducir el espesor de los recipientes .
Tanto el radio de curvatura de cada faceta superior e inferior, como el índice de refracción, ha de ser calculado con precisión para cada zona, anillo o corona, al objeto de que la concentración sea óptima en el foco .
Las citadas modificaciones afectan de forma notable la estructura clásica de la lente Fresnel, optimizando sus cualidades ópticas . La solar asi obtenida posee las siguientes ventajas :
a) Coste de producción muy reducido y minimo peso . b) Pérdida de energía lumínica por reflexión, inferior al 3 % . c) Perfecta convergencia lumínica en el foco, al poder dirigir los rayos lumínicos con absoluta precisión . d) Eliminación de la aberración esférica con óptimo factor de concentración . e) Es sensiblemente plana, debido a que las zonas , anillos o coronas que la componen se aproximan a un mismo plano horizontal .
Los recipientes que componen cada anillo o corona de la lente liquida solar de forma circular, son idénticos entre si, con facetas superior e inferior curvas , que genera un foco circular . Este tipo de lente tiene su origen al proyectar los tramos de curvatura sobre la base plana de una lente convencional esférica plano convexa .
Los recipientes que componen cada zona lineal de la lente liquida solar de forma rectangular, son idénticos entre si, con facetas superior e inferior curvas , que genera un foco lineal . Este tipo de lente tiene su origen al proyectar los tramos de curvatura sobre la base plana de una lente convencional cilindrica plano convexa .
La lente liquida solar adopta una configuración con doble curvatura para cada zona, anillo o corona, una curvatura en la parte superior cuyo radio puede ser el mismo para diferentes zonas, anillos o coronas, y otra curvatura inferior cuyo radio será generalmente diferente para cada zona, anillo o corona, que dependerá del alejamiento al eje óptico y del Índice de refracción del fluido de cada zona, anillo o corona, y un doble escalonado respecto al plano horizontal, muy pequeño por la parte superior para minimizar las pérdidas lumínicas , y más prominente por la parte inferior para lograr una perfecta convergencia de la luz solar .
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Se complementa la presente memoria descriptiva, con un juego de planos , ilustrativos del ejemplo prefe¬ rente y nunca limitativo de la invención .
La Figura 1 es una vista en alzado de la lente líquida solar de la invención, en su ejecución lineal rectangular, observándose en la misma su ligera curvatu¬ ra convexa externa, cuya flecha (a) viene determinada por la altura respecto a su posición teórica plana .
La Figura 2 es una sección del alzado del extre¬ mo lateral de esta lente lineal rectangular .
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de lo anteriormente enunciado, la presente invención se refiere a una nueva lente líquida solar, la cual está formada por diversos recipientes transparentes , en módulos ( 1 ) de geometría adecuada, construidos con procedimientos utilizados profusamente en la industria, tales como : inyección, soplado, extrusión, moldeo, fundición rotativa, u otros sistemas , utilizando materiales resistentes a la luz solar, tales como vidrio, policarbonato, metacrilato, etc . , mediante el empleo de la matriceria adecuada en cada caso, esencialmente caracterizada por la modulabilidad de los recipientes que componen las distintas zonas , coronas o anillos de la lente, los cuales pueden ser autoportantes o disponer de una estructura adicional que los soporte, propiciando la construcción de grandes lentes .
Caracteriza estos módulos como recipientes diversos , idénticos en cada una de las zonas , anillos o coronas y que difieren de los recipientes que componen las zonas, anillos o coronas restantes , tanto en los radios de curvatura, como en la pendiente de la curvatura de sus facetas superiores e inferiores .
Caracteriza, asi mismo, que las zonas , anillos o coronas son generalmente biconvexas (2 ) , pudiendo ser planoconvexas o cóncavoconvexas en los recipientes extre¬ mos de la lente, en transición suave ( 3 ) , debiendo ser indeformables ante los esfuerzos a que puedan estar sometidos y estando estas zonas, anillos o coronas dis- puestas en un mismo plano, prácticamente horizontal .
Caracteriza a la lente liquida solar que la cara vertical de los recipientes , que une las facetas superior e inferior, es plana e inclinada hacia el eje óptico, siguiendo la trayectoria de la luz solar al objeto de evitar la pérdidas lumínicas por interferencia, asi como que al objeto de posibilitar el seguimiento solar, en su giro horizontal y vertical, la estructura portante, en su caso, estará situada en las zonas ópticamente neutras , coincidentes con las caras verticales, por lo que no generan pérdidas adicionales de energía .
Caracteriza especialmente que las crestas o surcos que forman las facetas de la lente Fresnel, han sido minimizadas , al disminuir la pendiente de la curva de cada una de las facetas de esta lente Fresnel, receptora de una serie de modificaciones estructurales , que le confieren una altísima calidad óptica, mediante sustitución de su cara inferior plana, por superficies curvas en cada zona, anillo o corona, que permiten la perfecta convergencia de la luz solar captada .
Caracteriza la eliminación de la aberración esférica, por disponer de fluidos transparentes en su interior cuyo Índice de refracción crece en cada zona, anillo o corona, progresivamente desde el eje óptico hacia los bordes de la lente, propiciando una perfecta concentración de la luz solar en el foco .
Caracteriza también el reducido volumen del fluido refractante contenido en cada uno de los recipientes, que permite su construcción con poco espesor, reduciendo costes y peso .
No altera la esencialidad de esta invención va¬ riaciones en materiales , forma, tamaño y disposición de los elementos componentes , descritos de manera no limi¬ tativa, bastando ésta para proceder a su reproducción por un experto .

Claims

REIVINDICACIONES
I a . - Lente líquida solar, de entre las lentes Fresnel formadas por diversos recipientes transparentes construidos por inyección, soplado, extrusión, moldeo, fundición rotativa, u otros , en vidrio, policarbonato, metacrilato, etc . , en construcción con mínimo espesor y peso, esencialmente caracterizada por su modulabilidad de modo que estos módulos (1 ) están constituidos como recipientes diversos y son idénticos en cada una de las zonas, anillos o coronas y, sin embargo, difieren de los módulos ( 1) que componen las zonas , anillos o coronas restantes, tanto en los radios de curvatura, como en la pendiente de la curvatura de sus facetas superiores e inferiores, en configuraciones biconvexas (2 ) en los módulos ( 1 ) centrales de la lente, pasando a ser planoconvexas y, finalmente, cóncavoconvexas en los módulos ( 1 ) extremos de la misma, en transición suave ( 3 ) y todos ellos indeformables ante los esfuerzos y estando estas zonas , anillos o coronas dispuestas en un mismo plano, prácticamente horizontal, si bien con una ligera curvatura convexa externa, de flecha (a) y estando minimizadas todas sus crestas o surcos, así como disponiéndose plana e inclinada hacia el eje óptico la cara vertical, de unión de las facetas superior e inferior de los módulos (1 ) y, finalmente, por la eliminación de la aberración esférica, por incorporación en los módulos (1 ) de fluidos refractantes con diferente índice de refracción y volumen muy reducido .
2 a . - Lente líquida solar, según la reivindicación anterior, caracterizada porque los módulos ( 1) son autoportantes o bien disponen de una estructura adicional que los soporte . 3 a . - Lente líquida solar, según las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la cara vertical de los módulos ( 1) , sigue la trayectoria de la luz solar, evitando las pérdidas lumínicas por interferencia, así como dispone de una estructura portante situada en las zonas ópticamente neutras , coincidentes con las caras verticales .
4 a . - Lente líquida solar, según las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque para minimizar las crestas o surcos se disminuye la pendiente de la curva de cada una de las facetas de la lente
Fresnel .
5 a . - Lente líquida solar, según las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque para la eliminación de la aberración esférica, los fluidos transparentes del interior de los módulos (1 ) disponen de un índice de refracción creciente en cada zona, anillo o corona, progresivamente desde el eje óptico hacia los bordes de la lente .
6 a . - Lente líquida solar, según las reivindicaciones anteriores , caracterizada por sustituir las configuraciones cóncavoconvexas en los módulos (1 ) extremos de la lente por otras planoconvexas .
7 a . - Lente líquida solar, según las reivindica¬ ciones anteriores I a a la 5 a , caracterizada por sustituir las configuraciones planoconvexas y cóncavoconvexas en los módulos (1 ) extremos de la lente por otras biconvexas (2 ) .
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