WO2008152157A1 - Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energía solar - Google Patents

Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energía solar Download PDF

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Daniel VÁZQUEZ MOLINÍ
Eusebio BERNABEU MARTÍNEZ
Antonio ÁLVAREZ FERNÁNDEZ-BALBUENA
Luis Pascual De La Torre
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Concentración Solar La Mancha, S.L.
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24S23/30—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses
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Definitions

  • the object of the present invention is a refractive optical system for capturing and concentrating solar energy, that is to say a solar concentrator or device capable of harnessing solar radiation so that it can capture and distribute it evenly over a certain surface, in particular, over a photovoltaic solar cell for the generation of electrical energy.
  • optical system the special configuration and design of diffe ⁇ optical ent that would form a hub so that also allows to achieve good light collection, wherein said concentration is carried uniformly on part or all of A certain surface.
  • the present invention also features the fact of having, on the optical system, at least more than one different optics, in order to achieve the double objective of capturing sunlight and uniform distribution over an entire surface.
  • ⁇ is circum within the scope of the systems or means dedicated ⁇ two solar concentration used in the photovoltaic industry.
  • the solar panels fotovol- taicos for the production of electrical energy use silicon cells that allow achieving rendi ⁇ lie between the captured energy and the energy produced in the order of 12% to 16%.
  • Another difficulty present in traditional concentrators with a single optics is the low tolerance they present to the approach, that is, the loss of the amount of concentrated light as the angular deviation of the incident energy is greater than 0.5 °.
  • the present invention optical system REFRAC ⁇ tive seeks, as said, develop a concen ⁇ Solar Trador, small size, short focal distances cia, that allows to improve: the amount of light captured, the uniformity in the distribution of light received ⁇ given in the cell, as well as tolerance approach.
  • the geometry of the optical system in terms of its shape may be equal to that of the cell, so if the cell is circular, the optical system will be circular, while if the cell is square, the optical system will be square.
  • the refractive optical system has an op ⁇ tica defined by zones both its plan projection as its distance from the system optical axis.
  • Each zone will be optimized with their own to ⁇ optical meters to direct solar radiation as efficiently as possible, either relative to one of the parts of the cell or cell assembly.
  • the distribution of the different optics that the optical system has will be developed in relation to the center of the cell in order to achieve better illumination on its surface.
  • the optical system will consist of a concentrating lens divided by zones, using different refraction, reflection and light guidance parameters in each of them. Independently optimizing each of these areas of capturing light and fundién ⁇ Dolas post in a single lens.
  • the areas referred to are both depending on the radius, away from the system axis, and depending on the angular projection, that is to say the planar projection of the concentrator.
  • each quadrant has its own optical definition and can be, as is the case with the examples, similar to the others.
  • the lens could be divided into a different portion.
  • the central zone of the lens work ba ⁇ jo formalism of paraxial optics and thus develops a high efficiency and accuracy.
  • This zone allows an axial displacement of the axis to be arranged in such a way that the captured energy is distributed in the most appropriate way on the surface of the photocell.
  • the focal length of this area should be calculated in such a way that the energy distribution is optimal.
  • the contribution of the other parts of the lens must be taken into account in its calculation.
  • Zone 2 This area refers to the part that is remote from the axis of the optical system, all via ⁇ works as a standard lens. In this area the efficiency and precision of the concentration decreases. For this reason, its optical power parameters must be calculated
  • Zone 3 When the concentration by re ⁇ fractive means is practically ineffective, a reflective refractive system must be used. This area is the peri- lens fair.
  • a secondary ad hoc optics will be used on the cell, which will help to improve the uniformity in the distribution of light and achieving a conventional-looking concentrator but with a much higher optical performance.
  • Figure 1 shows a representation of a possible embodiment of a solar concentrator with more than one optic.
  • Figure 2 shows a grouping of solar concen ⁇ trators forming a solar module.
  • Each of the capture areas is optimized independently, being finally fused into a single lens, so that the final exterior appearance is very similar to a traditional lens, but of much higher optical performance than this.
  • solar concentrators (1) has an optician are DIFF ⁇ tes each other , in this case, it has a central optic (2) of circular shape, other optical shaped annular crown Circular (3), which they may be divided into different sectors, while finally has a peripheral optic (4), which given the geometry of the hub (1) occupies only the surface buy ⁇ dida between the outermost edge of the optic circular crown (3) and the outer edge of Trador concentrated, that is, occupying the area next to the verti ⁇ ces.
  • the focal length is less than the diameter of the concentrator, which allows highly competitive module dimensions.
  • a group of solar concentrators (1) is shown, forming a solar module, with the particularity of each of the solar concentrators (1) projects the radiation on a single solar cell arranged below the concentrator, so that the radiation received by the surface of the solar cell is uniform throughout it.

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Abstract

Optical system (1) which seeks to emit solar radiation uniformly over all or part of the surface of a solar cell on which said radiation is projected, being provided for this purpose with various optics (2,3,4) distributed in quadrants with respect to the centre of the cell, thus achieving a uniform radiation concentrated on the surface of said cell, which enables the use of larger solar cells, which in addition, given the high costs of obtaining these, improves their production.

Description

SISTEMA ÓPTICO REFRACTIVO PARA CAPTACIÓN Y CONCENTRACIÓN
DE ENERGÍA SOLAR
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención, un sistema óptico refractivo para captación y concentración de energía solar, es decir un concentrador solar o dispositivo capaz de aprovechar la radiación solar de modo que consiga captarla y repartirla uniformemente sobre una determinada superficie, en concreto, sobre una célula solar fotovoltaica destinada a la generación de energía eléctrica.
Caracteriza a la presente invención de sistema óptico la especial configuración y diseño de las dife¬ rente ópticas que conformarían un concentrador de manera que permite además de lograr una buena captación de luz, que dicha concentración se realice de manera uniforme sobre parte o la totalidad de una determinada superficie .
También caracteriza a la presente invención el hecho de disponer, sobre el sistema óptico de, al menos, más de una óptica diferente, con la finalidad de lograr el doble objetivo de captación de luz solar y de distribución uniforme sobre toda una superficie.
Por lo tanto, la presente invención se circuns¬ cribe dentro del ámbito de los sistemas o medios dedica¬ dos a la concentración solar empleados en la industria solar fotovoltaica. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Hasta el momento, los paneles solares fotovol- taicos destinados a la producción de energía eléctrica emplean células de silicio que permiten lograr un rendi¬ miento entre la energía captada y la energía producida del orden del 12% al 16%.
Un ejemplo de realización de concentrador solar se puede observar en la patente ES 2229950 Al, donde se observa un panel solar con concentradores, donde sobre cada una de las células (24) únicamente se emplea una única óptica, en este caso una óptica Fresnel (22) .
Actualmente se han desarrollado células solares fotovoltaicas de muy alto rendimiento. Estas células solares son mucho más complejas y por ello más caras que las convencionales, por lo que necesitamos suministrar¬ las una gran cantidad de energía luminosa para que produzcan la electricidad necesaria para, en un futuro, llegar a poder competir en precio con la electricidad convencional .
Todavía, pese al empleo de concentradores y dado el coste de obtención de estas nuevas células, su explo¬ tación no es rentable, por lo que una posibilidad seria desarrollar células de unas dimensiones mayores con el objetivo de reducir costes, lo que implica una falta de cantidad de luz concentrada asi como una falta en la uniformidad de la radiación solar recibida sobre la superficie de las células.
Por lo tanto, con el objetivo de hacer comer- cialmente viable la explotación de dichas células, hemos adoptado células de dimensiones relativamente grandes. estas, necesitan, para su correcto funcionamiento, grandes captaciones de luz, y gran uniformidad en su distribución. Para ello, tendríamos que emplear ópticas tradicionales de gran superficie y distancias focales en consonancia, lo que implicarla la construcción de módulos de gran tamaño y elevado coste.
Hasta el momento, la utilización de células fo- tovoltaicas de utilización terrestre y de muy alto rendimiento se ha realizado con concentradores de una sola óptica, paliando los inconvenientes anteriormente citados con la utilización de células de reducidas dimensiones .
Otra dificultad presente en los concentradores tradicionales con una sola óptica, es la baja tolerancia que presentan al enfoque, es decir, la pérdida de la cantidad de luz concentrada en cuanto la desviación angular de la energía incidente es superior a 0,5°.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un sistema óptico refractivo o concentrador solar, de dimensiones reducidas y corta distancia focal, que permita elevadas captaciones de luz, una gran uni- formidad en la distribución de luz sobre la superficie de la célula, asi como una mejora en la tolerancia al enfoque .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención de sistema óptico refrac¬ tivo, busca, como ya hemos dicho, desarrollar un concen¬ trador solar, de dimensiones reducidas, de corta distan- cia focal, que permita mejorar: la cantidad de luz capturada, la uniformidad en la distribución de la luz recibi¬ da en la célula, asi como la tolerancia al enfoque.
La geometría del sistema óptico en cuanto a su forma podrá ser igual a la de la célula, asi si la célula es circular, el sistema óptico será circular, mientras que si la célula es cuadrada, el sistema óptico será cuadrado.
El sistema óptico refractivo cuenta con una óp¬ tica definida por zonas tanto en su proyección en planta como por su distancia al eje del sistema óptico.
Cada zona será optimizada con sus propios parᬠmetros ópticos para dirigir la radiación solar de la forma más eficiente posible, bien sea con relación a una de las partes de la célula o al conjunto de la célula.
La distribución de las diferentes ópticas con las que cuenta el sistema óptico se desarrollarán con relación al centro de la célula con el objetivo de lograr una mejor iluminación sobre su superficie.
El sistema óptico estará formado por una lente concentradora divida por zonas, empleando en cada una de ellas unos parámetros de refracción, reflexión y guiado de luz diferentes. Optimizando de forma independiente cada una de esas zonas de captación de la luz y fundién¬ dolas a posteriori en una sola lente.
Las zonas a que se hace referencia son tanto en función del radio, alejamiento del eje del sistema, como en función de la proyección angular, es decir la proyección en planta del concentrador.
En el caso presente sin que sirva de restricción alguna y solamente a modo de ejemplo se expone el caso de que angularmente se divida en cuadrantes. Quiere decir este caso que cada cuadrante tiene su propia definición óptica pudiendo ser, tal y como es el caso de los ejemplos, similar a los demás. La lente podría ser dividida en otra porción diferente. Estas divisiones pueden afectar a todas o a una parte de las divisiones por zonas en función del radio que a continuación se exponen .
Zona 1. La parte central de la lente trabaja ba¬ jo el formulismo de la óptica paraxial y por tanto desarrolla una alta eficiencia y precisión. Esta zona permite disponer un desplazamiento axial del eje de tal forma que la energía captada se distribuya de la forma más apropiada sobre la superficie de la fotocélula. La focal de esta zona se debe calcular de tal forma que la distribución de energía sea óptima. En su cálculo se deberá tener en cuenta la contribución de las otras partes de la lente.
Zona 2: Esta zona se refiere a la parte que se encuentra alejada del eje del sistema óptico, que toda¬ vía trabaja como una lente estándar. En esta zona la eficiencia y precisión de la concentración disminuye. Por este motivo se deben calcular sus parámetros ópticos de potencia
Zona 3: Cuando la concentración por medios re¬ fractivos es prácticamente ineficaz, se debe recurrir a un sistema reflectivo refractivo. Esta zona es la peri- feria de la lente.
Adicionalmente y en combinación con el concen- trador solar objeto de la invención, se empleará una óptica secundaria "ad hoc", sobre la célula, que ayudará a mejorar la uniformidad en la distribución de la luz y consiguiendo un concentrador de aspecto convencional pero con un rendimiento óptico muy superior.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que seguidamen- te se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, se acompaña a la presente memoria descriptiva, de un juego de planos en cuyas figuras, de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los detalles más significativos de la inven- ción.
La figura 1, muestra una representación de una posible forma de realización de un concentrador solar con más de una óptica.
La figura 2, muestra una agrupación de concen¬ tradores solares conformando un módulo solar.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras se describe seguida¬ mente un modo de realización preferente de la invención propuesta . En la figura 1 podemos observar un sistema ópti¬ co refractivo para captación de energía solar (1) que reúne las características propugnadas, dicha lente concentradora está dividida por zonas, empleando en cada zona unos parámetros de refracción, reflexión y guiado diferentes, lo que permite agrupar las zonas de alta eficiencia.
Cada una de las zonas de captación es optimizada de forma independiente, siendo fundidas finalmente en una sola lente, por lo que el aspecto exterior final es muy similar a una lente tradicional, pero de rendimiento óptico muy superior a ésta.
Para lograr el fin propuesto, el concentrador solar (1) cuenta con más de una óptica que son diferen¬ tes entre si, en este caso concreto, cuenta con una óptica central (2) de forma circular, otra óptica anular en forma de corona circular (3), que pueden estar dividas en distintos sectores, mientras que finalmente cuenta con una óptica periférica (4), que dada la geometría del concentrador (1) únicamente ocupa la superficie compren¬ dida entre el borde más exterior de la óptica en forma de corona circular (3) y el borde exterior del concen- trador, esto es, ocupando el área próxima a los vérti¬ ces .
Observamos que la distribución de las distintas ópticas con las que cuenta el concentrador solar se realiza sobre la superficie del concentrador de un modo anular con relación al centro del concentrador, o el centro de la superficie de la célula solar.
De esta manera, se logra que la radiación pese a atravesar un concentrador, sea uniforme en toda la superficie de la célula solar fotovoltaica sobre la que se concentra la radiación solar.
Gracias al diseño de un concentrador como el propuesto, la distancia focal es inferior al diámetro del concentrador, lo que permite dimensiones de módulos altamente competitivas.
En la figura 2, se muestra una agrupación de concentradores solares (1), conformando un módulo solar, con la particularidad de cada una de los concentradores solares (1) proyecta la radiación sobre una única célula solar dispuesta debajo del concentrador, de modo que la radiación recibida por la superficie de la célula solar sea uniforme en toda ella.
El empleo de una óptica secundaria, colocada en¬ cima de la célula y en combinación con el concentrador solar, favorece los intercambios de radiación y mejora la uniformidad en la distribución de los rayos. Deberá tener la forma geométrica que más favorezca estos parᬠmetros .
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 su reproducción por un exper¬ to.

Claims

REIVINDICACIONES
1. -Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energia solar caracterizado por que cuenta con una óptica definida por zonas tanto en su proyección en planta como por su distancia al eje del sistema .
2.- Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energia solar según la reivindicación 1 caracterizado porque cada zona se optimiza con sus propios parámetros ópticos para dirigir la radiación solar de la forma más eficiente posible a cada una de las partes de la célula.
3.- Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energia solar según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado por cada zona se optimiza con sus propios parámetros ópticos para dirigir la radiación solar de la forma más uniforme posible al conjunto de la célula .
4.- Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energia solar según la reivindicación 1 y 2 caracterizado por que todas las zonas son integradas en una única pieza de geometría compuesta.
5.- Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energia solar según las reivindicacio- nes 2 ó 3 caracterizado porque los parámetros ópticos de optimización son los parámetros de refracción, reflexión y guiado .
6.- Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energia solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la óptica obtenida resultado de la combinación de varias ópticas permite obtener un concentrador con una tolerancia superior a 0,5°. , sin que la eficiencia del sistema se reduzca notablemente.
7.- Sistema óptico refractivo para captación y concentración de energía solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en combinación con el concentrador solar se dispone sobre la célula una óptica secundaria "Ad HOC" que consigue optimizar la homogeneidad de la distribución de la luz captada, sobre toda la superficie de la célula.
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