WO2015015041A1 - Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico con holografía incorporada - Google Patents

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Ayalid Mirlydeth VILLAMARÍN VILLEGAS
Hugo José RODRÍGUEZ SAN SEGUNDO
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Definitions

  • the invention is part of the technical sector of renewable energy, more specifically in relation to both thermal and thermoelectric solar energy, as well as photovoltaic solar. State of the art
  • the solar thermal panels mostly commercially available today are two-dimensional flat structures in which solar radiation is concentrated in the liquid carrying pipes by means of metal fins coated with radiation absorbing paint. Heat dissipation is avoided by insulation with rock wool or similar elements, although there are convection losses that are not avoided in this concept.
  • the entire system is framed in an aluminum frame, and the front surface is a flat glass. The complete construction results in a high weight, above 30 kg for 2 m 2 panels.
  • photovoltaic solar modules the most common in the market are flat, with a front glass, an aluminum frame and virtually the entire surface covered with photovoltaic solar cells. This structure is also heavy, over 20 kg for a conventional 250 W module. Since solar cells represent by far the most important part of the cost, there has been an effort for decades to reduce its surface, replacing it with concentrating elements in theory cheaper to achieve all the light received on them. However, so far the concentration photovoltaic solar systems, of many different types, have not achieved a significant market entry. The main reasons are the price, as well as the major complication of the final structure of the complete system, which requires sun tracking.
  • This invention has the disadvantage of having many spectral losses, and the need to use bifacial cells, as well as placing the entire solar system in a flat place with the ground painted white to reflect the albedo.
  • US20080257400 granted to Mignon and Han, also presents a flat holographic concentrator but with two different surfaces, in which there are multiplexed transmission and reflection holograms, with solar cells perpendicular to said collecting surfaces.
  • the great disadvantage of this design in addition to the losses due to the various reflections and transmissions in the various holograms, is the constructive difficulty, which can take it away from manufacturing at competitive costs.
  • the present invention uses plastic materials, widely commercially available, for the construction of the panels. In addition, it combines not only one or two, but up to three optical elements for concentration, which significantly increases the collection of the solar spectrum. And this within an industrial production cost even lower than current conventional panels. Explanation of the invention.
  • the hologram should be able to collect at least the region between 500 nanometers (nm) and 1,100 nm. This portion contains 70 percent of all energy in the solar spectrum. Even more ideal would be to collect between 400 nm and 1,200 nm, that is, 80 percent of the total spectrum.
  • the present invention proposes as a solution a three-dimensional structure repeated several times, whose unitary 3D structure can be seen, in front section, in Figure 2 for the case of thermal solar panel.
  • the radiation receiver (6) is a pipe, for example of copper, and is in the center of a pseudo-parabolic structure formed by several planes or curves (7) with different inclination from each other.
  • Figure 3 equivalent to Figure 2, represents the photovoltaic solar module, where the radiation receiver (8) is in this case a photovoltaic solar cell and is accommodated at the bottom of the 3D unitary structure.
  • a system is thus achieved in which the radiation receptors (6) or (8) can be substantially reduced. That is, the distance between pipes in a thermal solar panel can be greater, as well as the distance between branches of solar cells in a photovoltaic solar module.
  • the 3D unitary structure is asymmetric, since the angles of incidence of solar radiation (2) and (3) are different in winter and summer, if the panel is tilted at latitude.
  • the only drawback of this configuration is that, as seen in Figure 4, if the different planes or curves (7) are projected on the plane of inclination at latitude, the variation of angles of incidence between winter radiation (2) and Summer radiation (3) increases substantially, from the mentioned 60 ° to more than 150 °. It is no longer possible to capture all that angular variation with two multiplexed diffraction networks (70 percent of the spectral bandwidth, however, it can still be captured by the two wavelength diffraction networks explained above).
  • the present invention not only incorporates reflection holograms (9) as an optical concentrator element (see Figure 5, always in front section), but also assists of two more elements.
  • One of them is a highly reflective surface (10), which can even have an insulating part, such as the insulating sheets used in construction.
  • the other is a transparent optical medium (1 1), of high optical quality, such as, for example, a silicone or a transparent polyurethane. This medium must have an index of refraction n close to the index of refraction of the holographic material, so that there is no difference due to a change of medium when the radiation passes from one to another.
  • the 3D unit structure of the panel is defined as follows (see Figure 5):
  • the radiation receptors either pipes (6) or solar cells (8), and a transparent optical medium (1 1), which seals the interior of the 3D unit structure.
  • a transparent optical medium (1 1) which seals the interior of the 3D unit structure.
  • the reflection hologram (9) captures approximately up to 60 ° central. It is constructed in such a way that the beam reflected by diffraction leaves the hologram with an angle greater than the critical angle of the medium (1 1) (see below),
  • the highly reflective surface (10) captures greater angles, approximately an interval of 20 ° above each side of the central 60 °. That is, with both elements, hologram (9) and reflective surface (10), at least one variation of incidence angle of 100 ° can be captured.
  • hologram (9) and reflective surface (10) At least one variation of incidence angle of 100 ° can be captured.
  • the medium (1 1) has a dual purpose: on the one hand, it captures the incident radiation with angles greater than 100 ° central and reflects them by Fresnel reflection, directing them towards another plane or curve (7) of the plastic base ( 12), where it is already captured either by the hologram (9) or by the reflective surface (10). On the other hand, the medium (1 1) is constructed with an angle not parallel to the planes or curves (7), and greater than them (see next paragraph).
  • the medium (11) it is ensured that all the radiation returned that comes either by diffraction of the hologram (9), or by reflection of the reflective surface (10), does not leave the medium, since it affects its internal surface with an angle greater than the critical angle.
  • the radiation is thus returned by Internal Total Reflection (TIR) to the interior of the medium (1 1), where the hologram (9) or the reflective surface (10) return to work, successively until reaching the radiation receiver (6) (pipes, for a solar thermal panel) or (8) (photovoltaic solar cells, for a photovoltaic solar module).
  • TIR Internal Total Reflection
  • the IRR has 100 percent efficiency, so there is no loss in it.
  • the efficiencies exceed 95 and even 98 percent, thereby minimizing losses in each diffraction or reflection.
  • the unit structure 3D is designed so that the maximum number of diffractions and / or reflections until reaching the radiation receiver (6) or (8) does not exceed three, so the losses are even smaller.
  • Figures 6 to 8 represent different times of the year, with different angles of incidence. In a non-exclusive configuration, there are five planes (7) with different inclinations, called (7a) to (7e).
  • the first hour winter radiation (2) meets the planes or curves (7a) and (7b) with a very steep angle. In those planes, mostly Fresnel reflection will take place that sends the radiation to the planes or curves (7d) or (7e).
  • the radiation Upon entering the medium (1 1), the radiation refracts with the corresponding angle. Depending on that angle of entry, the radiation will be captured either by the hologram (9) or by the reflective surface (10).
  • the radiation When diffracting, or, respectively, reflecting, the radiation passes through the medium (1 1) with an angle above the critical angle, so when reaching the medium-air interface, Total Internal Reflection (IRR) will occur, which will send the radiation back to the interior and several diffractions and / or reflections occur (a maximum of 3), until the radiation receiver (6) or (8) is reached (in the Figure we see the example of solar thermal panel, whose radiation receiver is a pipe (6)).
  • the spring or autumn radiation (4) enters the medium (11) and refracts with the corresponding angle. Depending on that angle of entry, the radiation will be captured either by the hologram (9) or by the reflective surface (10).
  • the explained 3D unitary structure manages to capture radiation in all seasons of the year, and direct it with high efficiency to the radiation receiver (6) or (8).
  • Joining several of these 3D unit structures, from 8 to 10 for example, a thermal solar panel or a photovoltaic solar module of equivalent power to those currently available on the market is achieved (see Figures 9 and 10, respectively).
  • the asymmetry of the unitary 3D structure means that both sides, left and right, are not at the same height. However, shading losses are reduced early in winter and do not reach 3 percent in the annual total.
  • Both the base (12), made of environmentally resistant polymeric material, and the medium (1 1) made of environmentally resistant optical polymeric material (silicone or polyurethane, for example), can be exempted by plastic molding. They ensure a rigidity that makes a frame unnecessary, and also a significant reduction in weight.
  • the base (12), being made by extrusion from a mold can be added in the same extrusion all the anchoring elements necessary to fix the panels to the mounting structures of any solar system. It may also include, for example, in the case of the solar thermal panel, the holes or cavities necessary to accommodate the collector pipes (13) of greater diameter, to the ends of the panel (see Figure
  • the photovoltaic solar module it will also include the holes needed to make all kinds of electrical interconnections between cells. It is necessary to mention that there is a fundamental difference between a thermal solar panel and a photovoltaic solar module, which affects the present design: in the first, it is important to conserve heat within the structure, to minimize losses and ensure the heating of the heat transfer liquid ( it refers to conduction losses, since, since the pipes are completely imbued in a solid medium, the convection losses are negligible); in the second, however, it is convenient to dissipate as much heat as possible, since the efficiency of solar cells decreases with their temperature.
  • Figure 1 Variation of angles of solar radiation incident between winter (2) and summer (3) on a surface (1) inclined at latitude. Early solar radiation in winter (2) strikes the surface (1) at a lower angle, while solar radiation at noon in summer (3) strikes the same surface (1) at a higher angle. The difference between both angles is approximately 60 ° for many latitudes. Radiation in spring or autumn (4) falls practically perpendicular on said surface (1). If it is desired to influence said radiation on a radiation receiver (6) sufficiently separated from each other to make a thermal solar panel or photovoltaic solar module economically viable, then the radiation exit angle (5) should be very steep, something Very expensive and complicated in today's holographic technology.
  • Figure 2. Front section of the 3D unit structure of the proposed solar thermal panel. Several planes or curves (7), with different inclinations between them, form a pseudoparabolic structure, whose center is occupied by the radiation receiver, in this case a pipe (6).
  • FIG. 3 Front section of the 3D unit structure of the proposed photovoltaic solar module.
  • Figure 4. Representation of the angle variation of the incident radiation between winter (2) and summer (3), if the different planes or curves (7) are projected on the plane inclined at latitude. This variation of angles exceeds 150 °.
  • Figure 5. Front section of the 3D unit structure of the solar panel (in this case thermal), with the different elements that compose it: a plastic base (12) whose interior surface is made up of the planes or curves (7) with different inclination each; a highly reflective surface (10) covering said planes or curves (7); a reflection hologram (9) with several multiplexed diffraction networks, covering the reflective surface (10), and a transparent optical medium (11) that seals the entire assembly.
  • the radiation receiver in this case a pipe (6).
  • Figure 8 Optical path of the incident radiation in spring or autumn (4) upon reaching the 3D unit structure of the solar panel (in this case thermal).
  • the middle (1 1) when it reaches the middle (1 1), it refracts with the corresponding angle, and meets the reflection hologram (9) or the highly reflective surface (10).
  • Successive diffractions and / or reflections lead the radiation towards the radiation receiver (in this case a pipe (6)).
  • FIG. 9 Front section of a complete solar thermal panel composed of several 3D unit structures (in this case eight).
  • the radiation receiver in a solar thermal panel are pipes (6).
  • FIG 10. Front section of a complete photovoltaic solar module composed of several 3D unit structures (in this case eight).
  • the radiation receiver in a photovoltaic solar module is photovoltaic solar cells (8).
  • Figure 1 Possible non-exclusive embodiment of a solar thermal panel.
  • Eight 3D unit structures include eight pipes (6) of for example 8 mm outside diameter, welded to two collector pipes (13) of larger diameter, for example 18 mm.
  • Figure 12. Possible non-exclusive embodiment of a photovoltaic solar module.
  • Eight 3D unit structures include eight branches of photovoltaic cells (8), for example 31x125 mm each. The interconnection between them is very versatile due to holes in the plastic base (12) that allow any type of interconnection between cells.
  • the solar panel both thermal and photovoltaic, will consist of eight 3D unitary structures as explained between Figures 2 and 10.
  • the measurements of said structures will be approximately 80 mm high by 120 mm. width, and a length of 1.5 meters.
  • the solar panel will have approximate measurements of 1,500x1,000x80 mm, that is, very close to the magnitudes of any standard panel.
  • Both the plastic base (12) and the medium that covers and seals (11) are made of environmentally resistant plastic materials, and in addition the base can be molded to any shape, which reduces a lot of material and the total weight can be reduced to more than half that of a standard commercial panel.
  • the plastic base (12) being able to be made in a mold, can include all the necessary elements, including anchors for the mounting system, or holes for the versatile interconnection of photovoltaic solar cells, both in series and in parallel. Likewise, it may be carried out, in the case of the solar thermal panel, with the necessary extensions to accommodate the collecting pipes (13) (see Figure 11).
  • the radiation receivers are pipes (6).
  • they can be copper, 8 mm outside diameter.
  • the collecting pipes (13) are larger in diameter, for example 18 mm. Since the total number of pipes (6) is eight, the achieved capacity of fluid heating is similar to that of a conventional flat collector. However, its efficiency will be improved to heat fluids at high temperatures, because sealing with the medium (11) minimizes convection losses. Besides, the construction with low thermal conductivity materials also significantly reduces conduction losses.
  • the photovoltaic solar module in this embodiment, can consist of a matrix of 120 cells of 31x125 mm, joined in eight branches of 15 cells each.
  • the total module will therefore have approximate dimensions of 1,800x1,000x80 mm. If conventional 17 percent efficiency cells are used, this configuration achieves a module with a nominal power of approximately 250 W.
  • the interconnection must be made with four branches in parallel, connected in series with the following four branches.

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Abstract

Se presenta un panel solar con cavidades o estructuras unitarias tridimensionales (3D) realizado enteramente en materiales plásticos, y aplicable tanto a panel solar térmico como a módulo solar fotovoltaico. La diferencia entre ambos casos es que, en el primero, la estructura incorpora tuberías (6) para un fluido caloportador, mientras que, en el segundo, está dotada de células solares fotovoltaicas (8). También se diferencia el tipo de material con el que están construidos: aun siendo de materiales plásticos o poliméricos todo el panel en ambos casos, la aplicación solar térmica utiliza materiales con muy baja conductividad térmica para conservar el calor, mientras que la fotovoltaica se realiza con materiales de elevada conductividad térmica precisamente para disipar calor y evitar disminución de la eficiencia de las células por calentamiento. El conjunto resulta muy ligero, al estar realizado en materiales plásticos, y además evita la necesidad de marcos de aluminio, o sistemas de sujeción externos, puesto que la rigidez está garantizada por la propia estructura, y la inyección en plástico permite incorporar directamente cualquier sistema de sujeción o agarre. También permite añadir cualquier hueco para la interconexión de células solares. Por otro lado, cada estructura unitaria 3D concentra la luz solar sobre los receptores finales de la radiación solar (tuberías (6) o células (8)), cubriendo todo el espectro estacional y diario de ángulos de incidencia, sin necesidad de seguimiento activo del sol. El espesor de dicha estructura es muy reducido debido a que aprovecha las ventajas concentradoras no solamente de uno, sino de tres elementos ópticos: sobre la base de plástico (12) se colocan una superficie altamente reflectante (10), un holograma de reflexión (9) de amplio ancho de banda espectral y angular, y un medio óptico transparente (11), con índice de refracción y ángulo de inclinación tales que atrapa la luz en su interior por Reflexión Total Interna (TIR, por sus siglas en inglés). Se consigue así disminuir notablemente las pérdidas ópticas y dirigir gran parte del espectro solar hacia el receptor de radiación.

Description

PANEL SOLAR TRIDIMENSIONAL TÉRMICO O FOTOVOLTAICO CON
HOLOGRAFÍA INCORPORADA
Sector de la técnica
La invención se encuadra en el sector técnico de energías renovables, más concretamente en el relativo tanto a la energía solar térmica y termoeléctrica, como a la solar fotovoltaica. Estado de la técnica
Los paneles solares térmicos mayormente disponibles comercialmente en la actualidad son estructuras planas bidimensionales en las que la radiación solar se concentra en las tuberías portadoras de líquido mediante aletas metálicas recubiertas de pintura absorbente de radiación. La disipación de calor se evita mediante aislamiento con lana de roca o elementos similares, aunque hay pérdidas por convección que no se evitan en este concepto. Todo el sistema se encuadra en un marco de aluminio, y la superficie frontal es un vidrio plano. La construcción completa tiene como resultado un elevado peso, por encima de los 30 kg para paneles de 2 m2.
Estos paneles, denominados colectores planos, son relativamente baratos, y altamente eficientes para climas cálidos y elevaciones moderadas de temperatura del líquido caloportador, por debajo de los 50 °C, lo cual limita su aplicación tanto a dichas regiones climáticas, como a rangos bajos de calentamiento de líquidos. Si se desea ubicar el panel en zonas más templadas, o realizar calentamientos de líquido más elevados (por encima de 100 °C y hasta 150 °C), es necesario acudir a otros dos conceptos. Por un lado, los denominados colectores de tubos de vacío. En ellos la tubería a calentar se introduce en un tubo de vidrio en el que se realiza el vacío, minimizando las pérdidas térmicas por convección. Por otro lado, los denominados colectores parabólicos compuestos o CPC concentran la luz en las tuberías mediante espejos pseudoparabólicos. Ambos conceptos, además del elevado peso, tienen la gran desventaja del precio, puesto que requieren bien de tecnología complicada y/o bien de materiales que lo elevan hasta el doble o incluso el triple que el colector plano.
Resulta conveniente por tanto, en este sector, desarrollar un producto que sea altamente eficiente en diferentes regiones y rangos de temperatura, desde 50 a 150
°C, a la vez que resulte de mucho menor peso, así como precio comparable o inferior al colector plano.
En cuanto a los módulos solares fotovoltaicos, los más comunes en el mercado son planos, con un vidrio frontal, un marco de aluminio y prácticamente toda la superficie cubierta de células solares fotovoltaicas. Esta estructura resulta también pesada, sobre los 20 kg para un módulo convencional de 250 W. Dado que las células solares representan con diferencia la parte más importante del coste, existe desde hace décadas un esfuerzo por reducir su superficie, sustituyéndola por elementos concentradores en teoría más baratos que logren incidir toda la luz recibida sobre ellas. Sin embargo, hasta ahora los sistemas solares fotovoltaicos de concentración, de muy diversos tipos, no han logrado una entrada significativa en el mercado. Las razones principales son el precio, así como la mayor complicación de la estructura final del sistema completo, que requiere seguimiento del sol. Además, normalmente las concentraciones que se consiguen, por encima de 20 veces un sol, ó 20X, y hasta 1.000X en sistemas de alta concentración, añaden un problema: la célula solar se calienta en exceso, y se debe considerar un sistema activo o pasivo de refrigeración. Ello añade complejidad y coste a estos sistemas. La holografía, como tecnología óptica, presenta muchas ventajas respecto a otros sistemas ópticos concentradores (lentes o espejos, por ejemplo): es mucho más versátil y barata que ellos. Utilizada en baja concentración, además, elimina la necesidad de seguimiento del sol, con lo que se reduce la complejidad del sistema. Ha habido previamente intentos de utilizar holografía en paneles solares. Por ejemplo, la patente US4863224, concedida a Afian et al., utiliza un holograma y un prisma o placa. Sin embargo, este concentrador solar debe estar alineado con el sol, y no posee ninguna capacidad de seguimiento pasivo. Otra invención que también posee esta desventaja es la patente US5268985, otorgada a Ando et al. Comprende un holograma y una superficie de reflexión total, pero, además de necesitar seguimiento, se construye para captar luz monocromática y desaprovecha la mayor parte del espectro solar. Las patentes US5877874 y US6274860, concedidas a Rosenberg, presentan un concentrador holográfico plano en el que al menos una película holográfica multiplexada, que consigue anchos de banda angulares y espectrales elevados, concentra la luz en células solares colocadas en el mismo plano. Esta invención tiene el inconveniente de tener muchas pérdidas espectrales, y la necesidad de utilizar células bifaciales, así como de colocar el sistema solar completo en un lugar plano con el suelo pintado en blanco para reflejar el albedo. La patente US20080257400, concedida a Mignon y Han, presenta también un concentrador holográfico plano pero con dos superficies distintas, en las que hay hologramas de transmisión y reflexión multiplexados, con las células solares en perpendicular a dichas superficies colectoras. La gran desventaja de este diseño, además de las pérdidas por las varias reflexiones y transmisiones en los varios hologramas, es la dificultad constructiva, que puede alejarlo de una fabricación a costes competitivos. Por último, la patente US20120125403, otorgada a Orlandi, propone aplicar films holográficos directamente sobre módulos fotovoltaicos convencionales, de forma que se aproveche como radiación perpendicular al plano del módulo cualquiera incidente desde distintos ángulos. Este concepto, si bien muy comercializable por la escasa intromisión en el diseño original, no reduce los factores del peso ni del coste de fabricación de los módulos actuales.
Ninguna de las anteriores invenciones tiene por objeto reducir el peso de los paneles, un factor importante tanto en el coste, como en la dificultad de montaje (lo cual también incide en el coste de la energía solar como concepto global). La presente invención utiliza materiales plásticos, ampliamente disponibles comercialmente, para la construcción de los paneles. Además, combina no sólo uno o dos, sino hasta tres elementos ópticos para la concentración, lo cual aumenta significativamente la colección del espectro solar. Y ello dentro de un coste de producción industrial incluso menor que los paneles convencionales actuales. Explicación de la invención
El estudio de estado del arte delata que el gran problema sufrido en la implementación de la holografía en aplicaciones solares, tanto térmicas como fotovoltaicas, es la colección de la mayor parte del espectro solar posible. Ello se refiere tanto a la variación de ángulos de incidencia a lo largo de las distintas estaciones anuales, como al amplio intervalo de longitudes de onda energéticamente significativas que es necesario recolectar. En cuanto a longitudes de onda, para realizar una colección de una parte significativa del espectro solar, el holograma debería ser capaz de colectar al menos la región entre los 500 nanómetros (nm) y los 1.100 nm. Esta porción contiene el 70 por ciento de toda la energía del espectro solar. Más ideal sería, aún, colectar entre los 400 nm y los 1.200 nm, es decir, el 80 por ciento del total del espectro. Sin embargo, los hologramas actuales, especialmente los de reflexión, son capaces de colectar, por cada red de difracción, un máximo de 300 nm, y ello mediante procesos especiales. Por tanto, serán necesarias al menos dos redes de difracción superpuestas, es decir, multiplexadas, para captar el mínimo del 70 por ciento exigido.
Pero además se tienen que colectar esas longitudes de onda a lo largo de todo el año, y desde la mañana hasta la tarde. Por lo general, en un amplio rango de latitudes terrestres, la variación anual de ángulos de incidencia de la luz solar se mantiene en aproximadamente 60°. Como se ve en la Figura 1 , una superficie (1) inclinada a latitud recibirá en invierno la radiación (2) procedente de un ángulo bajo, mientras que en verano recibirá la radiación (3) en un ángulo más elevado. La radiación (4) en primavera y otoño se recibirá con un ángulo muy cercano a la perpendicular. La variación angular entre (2) y (3) son aproximadamente los 60° mencionados. Los hologramas de reflexión son capaces de captar una variación máxima de ±15°, por lo que, en este caso, también son necesarias al menos dos redes de difracción multiplexadas. Junto con los requerimientos de longitud de onda, se necesitan al menos cuatro redes multiplexadas. Dado que los materiales holográficos pierden eficiencia según aumenta el número de redes multiplexadas, este mínimo de cuatro redes se convierte también en un máximo impuesto por la física del material. Es decir, el holograma no debe captar menos, pero tampoco puede captar más de lo mencionado anteriormente, si no se quiere perder eficiencia. Por otro lado, en una configuración plana como la de la Figura 1 , se encuentra el problema adicional de que, si se quiere reducir mucho la cantidad de receptores de radiación (en la Figura 1 representado como una tubería (6) en un panel solar térmico), entonces el ángulo de salida de la radiación (5) debe ser muy inclinado. Esto presenta una problemática en la construcción de hologramas: ángulos tan inclinados no son viables de obtener comercialmente sin muchas pérdidas ópticas en el holograma, especialmente por reflexión Fresnel. Este tipo de reflexión se da en cualquier superficie óptica, y es mayor cuanto mayor sea el ángulo de incidencia respecto a la normal. Resulta obvio que una configuración plana del panel solar, especialmente una captación plana por parte del holograma, tal y como se presenta en la mayoría de soluciones mencionadas en el estado de la técnica, resulta insuficiente y siempre obtendrá rendimientos limitados. Es por ello que la presente invención plantea como solución una estructura tridimensional repetida varias veces, cuya estructura unitaria 3D se puede observar, en sección frontal, en la Figura 2 para el caso de panel solar térmico. En ella, el receptor de radiación (6) es una tubería, por ejemplo de cobre, y se encuentra en el centro de una estructura pseudoparabólica formada por varios planos o curvas (7) con distinta inclinación entre sí. La Figura 3, equivalente a la Figura 2, representa el módulo solar fotovoltaico, donde el receptor de radiación (8) es en este caso una célula solar fotovoltaica y se acomoda en el fondo de la estructura unitaria 3D.
Se consigue así un sistema en el que los receptores de radiación (6) u (8) pueden reducirse sustancialmente. Es decir, la distancia entre tuberías en un panel solar térmico puede ser mayor, así como la distancia entre ramas de células solares en un módulo solar fotovoltaico. Conviene resaltar que la estructura unitaria 3D es asimétrica, puesto que los ángulos de incidencia de la radiación solar (2) y (3) son distintos en invierno y en verano, si el panel se inclina a latitud. El único inconveniente de esta configuración es que, como se observa en la Figura 4, si se proyectan los diferentes planos o curvas (7) sobre el plano de inclinación a latitud, la variación de ángulos de incidencia entre radiación de invierno (2) y radiación de verano (3) aumenta sustancialmente, de los 60° mencionados a más de 150°. Ya no es posible captar toda esa variación angular con dos redes de difracción multiplexada (el 70 por ciento del ancho de banda espectral, sin embargo, sí puede seguir captándose mediante las dos redes de difracción en longitud de onda explicadas anteriormente).
Debido a la incapacidad de captar toda la variación de ángulo, la presente invención no solamente incorpora hologramas de reflexión (9) como elemento óptico concentrador (ver Figura 5, siempre en sección frontal), sino que se asiste de dos elementos más. Uno de ellos es una superficie altamente reflectante (10), que incluso puede tener parte aislante, como los folios aislantes utilizados en construcción. El otro es un medio óptico transparente (1 1), de elevada calidad óptica, tal como, por ejemplo, una silicona o un poliuretano transparente. Este medio debe tener índice de refracción n cercano al índice de refracción del material holográfico, de forma que no haya diferencia por cambio de medio al pasar la radiación de uno a otro.
Queda así definida la estructura unitaria 3D del panel como sigue (ver Figura 5):
Una base polimérica o de plástico (12), cuyo interior contiene los planos o curvas (7) que dan la forma pseudoparabólica de la estructura unitaria 3D del panel,
Una superficie altamente reflectante (10), colocada sobre esta base polimérica o de plástico (12), en el interior de la estructura unitaria 3D del panel,
Un holograma de reflexión con varias redes de difracción multiplexadas (9), colocado sobre la superficie altamente reflectante (10),
Los receptores de radiación, o bien tuberías (6) o bien células solares (8), y Un medio óptico transparente (1 1), que sella el interior de la estructura unitaria 3D. De este modo, los tres elementos ópticos se combinan y, para captar el total de los 150 0 de variación de ángulos de incidencia, trabajan de la siguiente manera: a. ) El holograma de reflexión (9) capta aproximadamente hasta los 60° centrales. Está construido de tal forma que el haz reflejado por difracción sale del holograma con un ángulo mayor que el ángulo crítico del medio (1 1) (ver después),
b. ) La superficie altamente reflectante (10) capta ángulos mayores, aproximadamente un intervalo de 20° por encima de cada lateral de los 60° centrales. Es decir, con ambos elementos, holograma (9) y superficie reflectante (10), se puede captar al menos una variación de ángulo de incidencia de 100°. Al reflejar hacia el medio (11) con el mismo ángulo de salida, se garantiza que dentro del medio (1 1) se tiene un ángulo mayor que su ángulo crítico (ver después), y
c. ) El medio (1 1) tiene una doble finalidad: por un lado, capta la radiación incidente con ángulos mayores a los 100° centrales y los refleja por reflexión Fresnel, dirigiéndolos hacia otro plano o curva (7) de la base de plástico (12), donde ya es captada o bien por el holograma (9) o bien por la superficie reflectante (10). Por otro lado, el medio (1 1) se construye con un ángulo no paralelo a los planos o curvas (7), y mayor que ellos (ver párrafo siguiente).
De este modo, en el medio (11) se asegura que toda la radiación devuelta que provenga o bien por difracción del holograma (9), o bien por reflexión de la superficie reflectante (10), no salga del medio, ya que incide en su superficie interna con un ángulo mayor que el ángulo crítico. La radiación es así devuelta por Reflexión Total Interna (TIR, por sus siglas en inglés) al interior del medio (1 1), donde vuelven a trabajar o bien el holograma (9) o bien la superficie reflectante (10), sucesivamente hasta alcanzar el receptor de radiación (6) (tuberías, para un panel solar térmico) u (8) (células solares fotovoltaicas, para un módulo solar fotovoltaico). La TIR tiene un 100 por ciento de eficiencia, por lo que no hay pérdidas en ella. En cuanto al holograma (9) o la superficie altamente reflectante (10), las eficiencias superan el 95 e incluso el 98 por ciento, con lo que se minimizan las pérdidas en cada difracción o reflexión. Además, la estructura unitaria 3D se diseña para que el número máximo de difracciones y/o reflexiones hasta alcanzar el receptor de radiación (6) u (8) no supere las tres, con lo cual las pérdidas son aún menores. Para explicar mejor estos efectos, las Figuras 6 a 8 representan distintas épocas del año, con distintos ángulos de incidencia. En una configuración no exclusiva, existen cinco planos (7) con distinta inclinación, denominados (7a) a (7e).
En la Figura 6, la radiación de primera hora en invierno (2) se encuentra con los planos o curvas (7a) y (7b) con un ángulo muy inclinado. En esos planos, mayoritariamente tendrá lugar reflexión Fresnel que envía la radiación a los planos o curvas (7d) ó (7e). Al entrar en el medio (1 1), la radiación refracta con el ángulo correspondiente. Según sea ese ángulo de entrada, la radiación será captada o bien por el holograma (9) o por la superficie reflectante (10). Al difractar, o, respectivamente, reflejar, la radiación transcurre por el medio (1 1) con un ángulo por encima del ángulo crítico, por lo que al llegar a la interfaz medio-aire, ocurrirá Reflexión Total Interna (TIR), que enviará la radiación de nuevo al interior y se suceden varias difracciones y/o reflexiones (un máximo de 3), hasta que se alcanza el receptor de radiación (6) u (8) (en la Figura se ve el ejemplo de panel solar térmico, cuyo receptor de radiación es una tubería (6)).
En la Figura 7, la radiación de mediodía hora en verano (3) se encuentra con los planos o curvas (7d) y (7e) con un ángulo muy inclinado. En esos planos, mayoritariamente tendrá lugar reflexión Fresnel que envía la radiación a los planos o curvas (7a) ó (7b). Al entrar en el medio (1 1), la radiación refracta con el ángulo correspondiente. Según sea ese ángulo de entrada, la radiación será captada o bien por el holograma (9) o por la superficie reflectante (10). Al difractar, o, respectivamente, reflejar, la radiación transcurre por el medio (1 1) con un ángulo por encima del ángulo crítico, por lo que al llegar a la interfaz medio-aire, ocurrirá Reflexión Total Interna (TIR), que enviará la radiación de nuevo al interior y se suceden varias difracciones y/o reflexiones (un máximo de 3), hasta que se alcanza el receptor de radiación (6) u (8) (en la Figura se ve el ejemplo de panel solar térmico, cuyo receptor de radiación es una tubería (6)). En la Figura 8, la radiación de primavera u otoño (4) entra en el medio (11) y refracta con el ángulo correspondiente. Según sea ese ángulo de entrada, la radiación será captada o bien por el holograma (9) o por la superficie reflectante (10). Al difractar, o, respectivamente, reflejar, la radiación transcurre por el medio (1 1) con un ángulo por encima del ángulo crítico, por lo que al llegar a la interfaz medio-aire, ocurrirá Reflexión Total Interna (TIR), que enviará la radiación de nuevo al interior y se suceden varias difracciones y/o reflexiones (un máximo de 3), hasta que se alcanza el receptor de radiación (6) u (8) (en la Figura se ve el ejemplo de panel solar térmico, cuyo receptor de radiación es una tubería (6)).
Se consigue así que la estructura unitaria 3D explicada logre captar radiación en todas las estaciones del año, y dirigirla con alta eficiencia al receptor de radiación (6) u (8). Juntando varias de estas estructuras unitarias 3D, de 8 a 10 por ejemplo, se consigue un panel solar térmico o un módulo solar fotovoltaico de potencia equivalente a los disponibles actualmente en el mercado (ver Figuras 9 y 10, respectivamente). La asimetría de la estructura unitaria 3D hace que ambos lados, izquierdo y derecho, no estén a la misma altura. Sin embargo, las pérdidas por sombreado se reducen a primera hora en invierno y no llegan al 3 por ciento en el total anual.
Tanto la base (12), hecha de material polimérico resistente al medio ambiente, como el medio (1 1) hecho de material polimérico óptico resistente al medio ambiente (silicona o poliuretano, por ejemplo), pueden eximirse mediante moldeado de plástico. Aseguran una rigidez que hace innecesario un marco, y además una reducción significativa del peso. Por otro lado, la base (12), al estar realizada por extrusión a partir de un molde, puede llevar añadidos en la misma extrusión todos los elementos de anclaje necesarios para fijar los paneles a las estructuras de montaje de cualquier sistema solar. También puede llevar incluidos, por ejemplo, en el caso del panel solar térmico, los huecos o cavidades necesarios para alojar las tuberías colectoras (13) de mayor diámetro, a los extremos del panel (ver Figura
1 1). En el módulo solar fotovoltaico, incluirá también los huecos necesarios para realizar todo tipo de interconexiones eléctricas entre células. Es necesario mencionar que hay una diferencia fundamental entre un panel solar térmico y un módulo solar fotovoltaico, que afecta al presente diseño: en el primero, interesa conservar el calor dentro de la estructura, para minimizar las pérdidas y asegurar el calentamiento del líquido caloportador (se refiere a pérdidas por conducción, puesto que, al estar las tuberías completamente imbuidas en un medio sólido, las pérdidas por convección son despreciables); en el segundo, sin embargo, conviene disipar la mayor cantidad de calor posible, puesto que la eficiencia de las células solares disminuye con la temperatura de éstas. En el presente diseño, esta diferencia se resuelve eligiendo diferentes materiales plásticos tanto para la base de plástico (12) como para el medio (1 1), en todo caso resistentes al medio ambiente. En concreto, para un panel solar térmico, interesan materiales plásticos con una conductividad térmica κ muy baja, por ejemplo alrededor de los 0,02-0,03 W nT1 K"1. Para un módulo solar fotovoltaico es aplicable el concepto contrario. Así, para los módulos solares fotovoltaicos, los materiales plásticos que componen tanto base de plástico (12) como medio (11) deben tener una conductividad térmica por ejemplo superior a 0,05 W nT1 K"1 , e incluso a 0,07 W m"1 K"1.
Descripción de los dibujos
Figura 1. Variación de ángulos de radiación solar incidente entre invierno (2) y verano (3) sobre una superficie (1) inclinada a latitud. La radiación solar a primera hora en invierno (2) incide sobre la superficie (1) con un ángulo más bajo, mientras que la radiación solar a mediodía en verano (3) incide sobre esa misma superficie (1) con un ángulo más elevado. La diferencia entre ambos ángulos es de aproximadamente 60° para muchas latitudes. La radiación en primavera u otoño (4) cae prácticamente perpendicular sobre dicha superficie (1). Si se desea incidir dicha radiación sobre un receptores de radiación (6) lo suficientemente separados entre sí como para hacer viable económicamente un panel solar térmico o módulo solar fotovoltaico, entonces el ángulo de salida de la radiación (5) debería ser muy inclinado, algo muy caro y complicado en la tecnología holográfica actual. Figura 2. Sección frontal de la estructura unitaria 3D del panel solar térmico propuesto. Varios planos o curvas (7), con diferentes inclinaciones entre sí, forman una estructura pseudoparabólica, cuyo centro está ocupado por el receptor de radiación, en este caso una tubería (6).
Figura 3. Sección frontal de la estructura unitaria 3D del módulo solar fotovoltaico propuesto. Varios planos o curvas (7), con diferentes inclinaciones entre sí, forman una estructura pseudoparabólica, cuyo fondo está ocupado por el receptor de radiación, en este caso células solares fotovoltaicas (8).
Figura 4. Representación de la variación de ángulo de la radiación incidente entre invierno (2) y verano (3), si los distintos planos o curvas (7) se proyectan sobre el plano inclinado a latitud. Esta variación de ángulos supera los 150°. Figura 5. Sección frontal de la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico), con los distintos elementos que lo componen: una base de plástico (12) cuya superficie interior la conforman los planos o curvas (7) con distinta inclinación entre sí; una superficie altamente reflectante (10) recubriendo dichos planos o curvas (7); un holograma de reflexión (9) con varias redes de difracción multiplexadas, que recubre la superficie reflectante (10), y un medio óptico transparente (11) que sella todo el conjunto. En el interior se encuentra el receptor de radiación, en este caso una tubería (6).
Figura 6. Camino óptico de la radiación incidente a primera hora en invierno (2) al llegar a la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico). En los planos (7a) y (7b), dicha radiación (2) se refleja por Fresnel directamente en la superficie del medio (1 1), hacia los planos (7d) ó (7e). Al llegar en estos al medio (1 1), refracta con el ángulo correspondiente, y se encuentra con el holograma de reflexión (9) o con la superficie altamente reflectante (10). Estos difractan o reflejan, respectivamente, la radiación de nuevo hacia el medio (11) con un ángulo superior al ángulo crítico, de modo que se produce TIR dentro de éste. Las sucesivas difracciones y/o reflexiones conducen la radiación hacia el receptor de radiación (en este caso una tubería (6)). Figura 7. Camino óptico de la radiación incidente a mediodía en verano (3) al llegar a la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico). En los planos o curvas (7d) y (7e), dicha radiación (3) se refleja por Fresnel directamente en la superficie del medio (1 1), hacia los planos o curvas (7a) ó (7b). Al llegar en estos al medio (1 1), refracta con el ángulo correspondiente, y se encuentra con el holograma de reflexión (9) o con la superficie altamente reflectante (10). Estos difractan o reflejan, respectivamente, la radiación de nuevo hacia el medio (11) con un ángulo superior al ángulo crítico, de modo que se produce TIR dentro de éste. Las sucesivas difracciones y/o reflexiones conducen la radiación hacia el receptor de radiación (en este caso una tubería (6)).
Figura 8. Camino óptico de la radiación incidente en primavera u otoño (4) al llegar a la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico). En todos los planos o curvas (7a) a (7e), al llegar al medio (1 1), refracta con el ángulo correspondiente, y se encuentra con el holograma de reflexión (9) o con la superficie altamente reflectante (10). Estos difractan o reflejan, respectivamente, la radiación de nuevo hacia el medio (1 1) con un ángulo superior al ángulo crítico, de modo que se produce TIR dentro de éste. Las sucesivas difracciones y/o reflexiones conducen la radiación hacia el receptor de radiación (en este caso una tubería (6)).
Figura 9. Sección frontal de un panel solar térmico completo compuesto por varias estructuras unitarias 3D (en este caso ocho). El receptor de radiación en un panel solar térmico son tuberías (6).
Figura 10. Sección frontal de un módulo solar fotovoltaico completo compuesto por varias estructuras unitarias 3D (en este caso ocho). El receptor de radiación en un módulo solar fotovoltaico son células solares fotovoltaicas (8). Figura 1 1. Posible modo de realización, no exclusivo, de un panel solar térmico.
Ocho estructuras unitarias 3D incluyen ocho tuberías (6) de por ejemplo 8 mm de diámetro exterior, soldadas a dos tuberías recolectoras (13) de mayor diámetro, por ejemplo 18 mm. Figura 12. Posible modo de realización, no exclusivo, de un módulo solar fotovoltaico. Ocho estructuras unitarias 3D incluyen ocho ramas de células fotovoltaicas (8), de por ejemplo 31x125 mm cada una. La interconexión entre ellas es muy versátil debido a huecos en la base de plástico (12) que permiten cualquier tipo de interconexión entre células.
Modos de realización de la invención
En una configuración preferida, pero no exclusiva, el panel solar, tanto térmico como fotovoltaico, consistirá de ocho estructuras unitarias 3D como las explicadas entre las Figuras 2 y 10. Las medidas de dichas estructuras serán de aproximadamente 80 mm de alto por 120 mm de ancho, y una longitud de 1 ,5 metros. Así, el panel solar tendrá unas medidas aproximadas de 1.500x1.000x80 mm, es decir, muy cercanas a las magnitudes de cualquier panel estándar. Tanto la base de plástico (12) como el medio que recubre y sella (11) están hechos de materiales plásticos resistentes al medio ambiente, y además la base puede amoldarse a cualquier forma, con lo que se reduce mucho material y el peso total puede reducirse a más de la mitad del de un panel comercial estándar. La base de plástico (12), al poder estar realizada en un molde, puede incluir todos los elementos necesarios, incluyendo anclajes para el sistema de montaje, o huecos para la interconexión versátil de las células solares fotovoltaicas, tanto en serie como en paralelo. Asimismo, podrá realizarse, para el caso del panel solar térmico, con las extensiones necesarias para acoger las tuberías colectoras (13) (ver Figura 11).
En el caso de panel solar térmico, los receptores de radiación son tuberías (6). En el modo de realización explicado, pueden ser de cobre, de 8 mm de diámetro exterior. Las tuberías colectoras (13) son de mayor diámetro, por ejemplo 18 mm. Al ser ocho el número total de las tuberías (6), la capacidad alcanzada de calefacción de fluido es similar a la de un colector plano convencional. Sin embargo, su eficiencia se verá mejorada para calentar fluidos a altas temperaturas, debido a que el sellado con el medio (11) minimiza las pérdidas por convección. Además, la construcción con materiales de baja conductividad térmica reduce también significativamente las pérdidas por conducción.
El módulo solar fotovoltaico, en este modo de realización, puede consistir en una matriz de 120 células de 31x125 mm, unidas en ocho ramas de 15 células cada una. El módulo total tendrá por tanto unas dimensiones aproximadas de 1.800x1.000x80 mm. Si se utilizan células convencionales del 17 por ciento de eficiencia, esta configuración consigue un módulo de una potencia nominal de aproximadamente 250 W. Para conseguir los mismos parámetros eléctricos que un módulo fotovoltaico convencional de la misma potencia, la interconexión deberá hacerse con cuatro ramas en paralelo, conectadas en serie con las siguientes cuatro ramas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Panel solar térmico o fotovoltaico caracterizado por estar compuesto por una base polimérica (12) que forma una o varias cavidades o estructuras unitarias 3D, una superficie altamente reflectante (10) recubriendo el interior de estas cavidades, un holograma (9) recubriendo a su vez la superficie altamente reflectante (10), un receptor de radiación, que o bien son tuberías (6) en el caso de panel solar térmico, o células solares fotovoltaicas (8) en el caso de módulo solar fotovoltaico, y un medio óptico transparente (11) con índice de refracción n similar al del material holográfico (9) y que recubre y sella el conjunto de la estructura unitaria 3D.
2. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1 , caracterizado por que la base polimérica (12), que puede ser extrusionada a partir de moldes, incluye en su forma todos los posibles anclajes a sistemas de montaje, así como extensiones adicionales, como las conformaciones para alojar los tubos colectores (13) en paneles solares térmicos, o los huecos necesarios para realizar cualquier tipo de interconexión eléctrica entre las células solares (8) en módulos solares fotovoltaicos.
3. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1 , caracterizado por que las unidades estructurales 3D de la base polimérica (12) están configuradas por un número variable de distintos planos o curvas (7), con distinta inclinación entre sí.
4. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1 , caracterizado por que la radiación solar incidente es capturada y dirigida hacia los receptores de radiación (6) u (8), según los ángulos de incidencia, por un elemento óptico distinto: aproximadamente hasta 60° son capturados por el holograma (9), que ha de ser diseñado correspondientemente con las redes de difracción adecuadas; aproximadamente otros 40° son capturados por la superficie altamente reflectante (10); y, el resto, son reflejados dentro de la estructura unitaria 3D mediante reflexión Fresnel en la interfaz del medio (1 1) con el aire.
5. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1 , caracterizado por que el holograma (9) está diseñado para difractar con ángulos de salida mayores que el ángulo crítico del medio (11) con el aire.
6. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1 , caracterizado por que el medio óptico transparente (11), que también puede ser extrusionado a partir de moldes, tiene un ángulo de inclinación distinto, más abierto, al de los planos o curvas (7), de forma que tanto la radiación difractada por el holograma (9), como la reflejada por la superficie altamente reflectante (10), se re-dirigen al medio (11) con un ángulo mayor que el ángulo crítico de este con aire, de modo que dicha radiación queda capturada dentro del medio (1 1) por Reflexión Total Interna (TIR).
7. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1 , caracterizado por que tanto la base polimérica (12) como el medio óptico transparente (1 1) están realizados en materiales poliméricos resistentes al medio ambiente con una conductividad térmica baja en el caso de paneles solares térmicos, y alta en el caso de los módulos solares fotovoltaicos, asegurando de este modo que se conserva y se disipa el calor por conducción, respectivamente.
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
PCT/ES2014/070630 2013-08-01 2014-08-01 Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico con holografía incorporada WO2015015041A1 (es)

Priority Applications (8)

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KR1020167004720A KR20160067085A (ko) 2013-08-01 2014-08-01 통합된 홀로그래피를 갖는 3-차원 열 또는 광기전 태양광 패널
BR112016002271A BR112016002271A2 (pt) 2013-08-01 2014-08-01 “painel solar tridimensional térmico ou fotovoltaico com holografia incorporada”
JP2016530558A JP2016534309A (ja) 2013-08-01 2014-08-01 ホログラフィが組み込まれた三次元の熱又は光起電性ソーラーパネル
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