WO2016042185A2 - SISTEMA MODULAR DE CONCENTRACIÓN SOLAR SIN SEGUIMIENTO MEDIANTE LA COMBINACIÓN DE ÓPTICAS CONVENCIONALES Y ELEMENTOS ÓPTICOS HOLOGRÁFICOS (HOE's) - Google Patents

SISTEMA MODULAR DE CONCENTRACIÓN SOLAR SIN SEGUIMIENTO MEDIANTE LA COMBINACIÓN DE ÓPTICAS CONVENCIONALES Y ELEMENTOS ÓPTICOS HOLOGRÁFICOS (HOE's) Download PDF

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WO2016042185A2
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WO2016042185A4 (es
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Hugo-José RODRIGUEZ SAN SEGUNDO
Antonio Calo Lopez
Ayalid Mirlydeth VILLAMARÍN VILLEGAS
Francisco Javier PEREZ LOPEZ
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Instituto Holografico Andaluz, S.L.
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

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.
  • the solar thermal installations mostly commercially available today are of four types, which differ in the optics used to concentrate the light in a pipe through which heat transfer fluid circulates.
  • Parabolic trough systems consist of parabolic mirrors that concentrate on a line located in the focus of the parabola;
  • Fresnel-type solar concentrators use several flat or almost flat mirror surfaces with different orientation from each other, simulating the different faces of a cylindrical Fresnel lens, which concentrate on a line in the focus of the lens;
  • Torre's solar concentrators consist of a multitude of flat or almost flat mirrors, located in concentric circles, which concentrate the light on top of a tower, where the spotlight of for example a spherical Fresnel lens would be located;
  • Stirling motor systems use spherical pseudo mirrors that concentrate the light in the corresponding focus.
  • 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. Given that solar cells represent by far the most important part of the cost, there has been an effort for decades to reduce their surface area, replacing it with concentrating elements that are theoretically 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 adds complexity and cost to these systems.
  • Holography as an optical technology, has many advantages over other optical concentrating systems (lenses or mirrors, for example): it is much more versatile and cheaper than them. Used in low or medium concentration, it also eliminates the need for sun tracking, which reduces the complexity of the system.
  • Patents US5877874 and US6274860 granted to Rosenberg, present a flat holographic concentrator in which at least one multiplexed holographic film, which achieves angular and spectral bandwidths elevated, concentrates the light on solar cells placed in the same plane.
  • This invention has the disadvantage of having many optical losses, and the need to use bifacial cells, as well as placing the entire solar system in a flat place with the floor 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.
  • a concentration without spectral separation like the one proposed here, only needs a radiation collector and a single angular and spectral design, although it also needs to collect very wide spectral and angular bandwidths.
  • Examples of patents using conventional and diffractive combination of optics for spectral separation are: US patent 2009/01 14266 A1, of Biles and Halter; WO2014036406 A1, by Escarra et al .; US 2010/0212717 A1, by Whitlock et al .; US 6,469,241 B1, of Penn; US 2010/0032005 A1, of Ford and Karp; US 6,015,950 to Converse; US 2007/0277869 A1, by Shan et al.
  • the study of the state of the art reveals that there are two major problems in the implementation of holography in solar applications, both thermal and photovoltaic.
  • the first is the collection of most of the possible solar spectrum without the need for active tracking (the hologram is monitored without system movement). This collection refers both to the variation of angles of incidence throughout the different annual seasons, and to the wide range of energy wavelengths that are necessary to collect.
  • 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 better would be to collect between 400 nm and 1,200 nm, that is, 80 percent of the spectrum's total energy.
  • current holograms have a limitation in terms of spectral bandwidth that they can cover. Therefore, the present invention relies, with current technology, on at least two overlapping diffraction networks, that is, multiplexed, to capture the minimum required 70 percent. Future research will increase the bandwidth per diffraction network and thus reduce the need for multiplexing.
  • the holographic optical element (7) is kept flat or slightly curved.
  • the holographic optical element (7) and the conventional optics (8) are attached glued to each other. This is observed in Figures 2 and 3, in which both are represented slightly apart to be able to graphically observe the radiation between them.
  • their refractive indexes should be similar to avoid or minimize losses due to Fresnel reflection.
  • the holographic optical element (7) must be designed in such a way that it captures at least the angular bandwidths of 60 ° and spectral of 600 nanometers already mentioned as input. Or even higher ranges, implying, as appropriate, as many multiplexed diffraction networks as necessary without affecting efficiency. In this way, active tracking is avoided, and it is the hologram that performs passive tracking.
  • the design of the holographic optical element (7) must also ensure that all of that captured radiation is sent with a specific exit angle, for example perpendicular, that ensures the correct operation of the conventional optical element (8) to which it is coupled. .
  • Conventional optics (8) coupled to the holographic element (7) collects the radiation from it, sent at a specific angle, for example perpendicular as shown in Figures 2 and 3, and concentrates it on the radiation receiver (6).
  • conventional optics must be designed in such a way as to allow such concentration.
  • a conventional flat-convex lens, a Fresnel lens or a periodic or non-periodic arrangement of conventional optics can be used.
  • the fine design of said conventional optics (8) depends on the desired concentration factor. In fact, it can and should be adjusted to it, which will depend at all times on what is the most expensive element of a solar panel.
  • the system has high versatility to adapt to market changes. According to the calculations made, the same design can cover concentrations that vary from 10X, only varying the design of conventional optics (8).
  • the holographic optical element (7) and conventional optics (8) are coupled as seen in Figures 2 and 3, that is, glued to each other. In the case of Figure 2 and also of Figure 4, the holographic optical element (7) is reflective. In this case, the optical elements (7) and (8) can rest on a base (9) of any structural material.
  • the system can also be carried out in a transmission configuration (see Figures 3 and 5), in which the holographic optical element (7) will be transmission.
  • both the holographic optical element (7) and conventional optics (8) must be designed to capture the wavelengths most favorable to the receiver (6).
  • both the design of holographic networks and the material from which conventional optics are constructed are influenced (8).
  • the only requirements to be demanded from such material are a.) Transparency in the optimum range of wavelengths, b.) Resistance to inclement weather and ultraviolet (UV) radiation, c.) Refractive index similar to that of the holographic optical element ( 7) and d.) The lowest possible density, so that the total weight / cost ratio of the system is economically viable.
  • the so-called “generation part” consists of a radiation receiver (6) and a heat sink (12).
  • the radiation receiver will always be placed at the focal distance with which conventional optics is designed (8).
  • the radiation receiver (6) is a solar cell
  • the heat sink (12) can be active, such as a pipe with heat transfer fluid, or passive, such as a structure of dissipation by convection by metal fins. If an active heatsink is used, the module becomes a hybrid, since in addition to producing photovoltaic electricity it can also heat water, or use said heating to produce steam and thereby more electricity through the movement of a turbine.
  • the radiation receiver (6) and the heat sink (12) are the same: a heat transfer fluid pipe.
  • An important feature of the present invention is the possibility of physical separation of the optical and generation parts. Both can be supported on separate structures, (10) for the optical part and (1 1) for the generation part.
  • the advantage of this arrangement is the lower mechanical complexity, providing greater resistance to winds, vibrations, etc. It is also advantageous the greater versatility at the time of transport and assembly, reducing costs in both cases.
  • Both structures (10) and (1 1) are variable in position, so that the system can vary its inclination, and the same system is valid for most land latitudes.
  • the described solar concentration modular system can be manufactured in units of small dimensions, so that it is modular. That is to say, it can be applied to small installations, as well as joining modules, also to large power plants, both photovoltaic and thermoelectric solar.
  • FIG. 1 Variation of solar radiation angles 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) affects practically perpendicular on said surface (1). It is desired to influence said radiation on radiation receptors (6), so that its position must be made to coincide with the radiation exit angle (5).
  • Optical assembly formed by a holographic optical element (7) and a conventional optical element (8), represented in this case as tnangular prisms of various sizes, emulating a Fresnel lens.
  • the holographic optical element (7) receives radiation from all angles of incidence between winter (2) and summer (3), and directs them in a specific plane, for example perpendicular to the conventional optical element (8). This is designed to concentrate the outgoing radiation (5) at a point determined by the overall design of the system.
  • This Figure shows the configuration for the case of using reflection holograms. In the Figure the holographic (7) and conventional (8) optical elements are shown separated to observe the radiation between them, but in a real configuration they are joined.
  • FIG 3. Optical assembly formed by a holographic optical element (7) and a conventional optical element (8), represented in this case as triangular prisms of various sizes, emulating a Fresnel lens.
  • the holographic optical element (7) receives radiation from all angles of incidence between winter (2) and summer (3), and directs them in a specific plane, for example perpendicular, towards the conventional optical element (8). This is designed to concentrate the outgoing radiation (5) at a point determined by the overall design of the system.
  • This Figure shows the configuration for the case of using transmission holograms. In the Figure the holographic (7) and conventional (8) optical elements are shown separated to observe the radiation between them, but in a real configuration they are joined.
  • Scheme of the complete solar concentration modular system, object of the present invention formed by two structures that can be independent.
  • One of them (10) gives support and rigidity to the optical assembly formed by a base (9), a holographic optical element (7) and a conventional optical element (8).
  • the second structure (1 1) gives support and rigidity to the receiver assembly, composed of a radiation receiver (6), which can be a solar cell or a heat transfer fluid pipe, and a heat sink (12) that can be active (with cooling fluid) or passive (with convection dissipating fins).
  • This system represented here in the case of a reflection hologram, is capable of tracking the radiation without movement at all times of the year, from summer (3) to winter (2), and reflect it (5) until it is concentrated in the receiver (6).
  • Figure 5
  • Scheme of the complete solar concentration modular system, object of the present invention formed by two structures that can be independent.
  • One of them (10) gives support and rigidity to the optical assembly formed by a holographic optical element (7) and a conventional optical element (8).
  • the second structure (1 1) gives support and rigidity to the receiver assembly, composed of a radiation receiver (6), which can be a solar cell or a heat transfer fluid pipe, and a heat sink (12) that can be active (with cooling fluid) or passive (with convection dissipating fins).
  • This system represented here in the case of a transmission hologram, is capable of tracking the radiation without movement at all times of the year, from summer (3) to winter (2), and transmitting it (5) until it is concentrated in the receiver (6).
  • the modular solar concentration system both thermal and photovoltaic, will consist of several structures (10) and (1 1) coupled together so that the light received by the optical part is concentrated, (7) and (8), in the generation, (6) and (12).
  • the measurements of each unit module to be supported by the structure (10) can be, for example, 1 .300x1 .000 mm, that is, very close to the magnitudes of any standard panel.
  • the base (9) can be made of any material, for example wood or plastic.
  • the structure (10) can be made of any structural material, for example steel.
  • the hologram (7) will be made of photosensitive material on a transparent rigid or flexible substrate with the same refractive index.
  • Conventional optics (8) will be manufactured with the same characteristics - transparency and refractive index - as diffractive optics, and in suitable materials, such as transparent plastics or glass, resistant to weather and UV radiation, and of minimum density possible.
  • the structure (1 1) that supports the receiver (6) will have the necessary measures for concentration in said receiver. Its dimensions will depend largely on the concentration that is desired, and based on which the conventional optics are designed (8). For example, for a concentration of 16X, and the unit module dimensions mentioned above, the structure (1 1) will place the receiver at a length of 3.3 meters with respect to optical assembly (7) and (8), distance that is corresponds to the focal length of conventional optics (8).
  • the width of the receiver (6) is 78 millimeters, that is, half of a conventional solar cell of 1 56 millimeters on its side. All these dimensions vary and the geometries are adapted according to the desired concentration factor, which can vary from 10X.
  • the receiver (6) can be a solar cell for a photovoltaic system, or a heat transfer fluid pipe for a thermal or thermoelectric solar system.
  • the receiver (6) In the event that the receiver (6) is a photovoltaic cell, it must be accompanied by a heat sink (12), which can be active - such as a pipe with cooling fluid, which can have a system solar thermal / photovoltaic hybrid - or passive, such as a static structure of dissipating fins. If it is a thermoelectric or thermal solar system, there is no need for a heat sink (12) and the heat transfer fluid pipe becomes the receiver (6).
  • all these configurations can be carried out in reflection concentrating systems, as shown in Figure 4, where diffractive optics or holographic optical element (7) is for example a reflection hologram, and structure (1 1) which supports the generation part is located above that which supports the optical part (10).
  • diffractive optics or holographic optical element (7) is for example a reflection hologram
  • structure (1 1) which supports the generation part is located above that which supports the optical part (10)
  • transmission concentrator systems as shown in Figure 5
  • the diffractive optics (7) is for example a transmission hologram

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Abstract

Se presenta un panel solar de concentración sin seguimiento capaz de captar la radiación de verano e invierno, durante todo el día, mediante la combinación de un elemento óptico holográfico (7) y una óptica convencional (8). El elemento óptico holográfico realiza el seguimiento pasivo de la radiación solar y la envía en una dirección definida. Ambas ópticas se colocan sobre una base (9), sujeta por una estructura fija (10). La parte óptica descrita puede ser independiente de la parte de generación. Esta última se compone de una estructura (11), un receptor de radiación (6), y un disipador de calor (12) activo o pasivo. Dicho acoplamiento entre óptica y generación puede ser por reflexión o por transmisión de la luz solar. La concentración es adaptable y puede variar a partir de 10X.

Description

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
SISTEMA MODULAR DE CONCENTRACIÓN SOLAR SIN SEGUIMIENTO MEDIANTE LA COMBINACIÓN DE ÓPTICAS CONVENCIONALES Y ELEMENTOS ÓPTICOS HOLOGRÁFICOS (HOE's)
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 Las instalaciones solares termoeléctricas mayormente disponibles comercialmente en la actualidad son de cuatro tipos, que se diferencian en la óptica utilizada para concentrar la luz en una tubería por la que circula fluido caloportador. Los sistemas cilindroparabólicos constan de espejos parabólicos que concentran en una línea situada en el foco de la parábola; los concentradores solares tipo Fresnel utilizan varias superficies especulares planas o casi planas con distinta orientación entre sí, simulando las distintas caras de una lente Fresnel cilindrica, que concentran en una línea situada en el foco de la lente; los concentradores solares de Torre constan de multitud de espejos planos o casi planos, situados en círculos concéntricos, que concentran la luz en lo alto de una torre, donde se situaría el foco puntual de por ejemplo una lente Fresnel esférica; por último, los sistemas de motor Stirling utilizan espejos pseudo esféricos que concentran la luz en el foco correspondiente. Todos ellos tienen un tamaño considerable, no son modulables a menores tamaños, y además, para tales infraestructuras, necesitan realizar un seguimiento del sol en al menos un eje, lo que aumenta los costes de instalación y mantenimiento. Resulta conveniente por tanto, en este sector, desarrollar un producto modulable en tamaño y que, idealmente, prescinda del seguimiento activo.
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. 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. 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 o media 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 presenta el inconveniente de tener muchas pérdidas ópticas, 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 vahos hologramas, es la dificultad constructiva, que puede alejarlo de una fabricación a costes competitivos. 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 el coste de fabricación de los módulos actuales.
Otros muchos autores han unido óptica convencional y óptica difractiva, tal y como se propone en el presente documento. Sin embargo, su intención no ha sido aprovechar todo el espectro para concentrarlo en un solo dispositivo, como sí realiza la presente invención, sino dividir el espectro y dirigir cada una de dichas divisiones a distintos dispositivos, cada uno selectivo a la región espectral que le llega. Cada una de dichas regiones, además, suele ser de anchos de banda angular y espectral reducidos. Aunque el concepto de separar el espectro puede ser útil para aplicaciones específicas, al aplicarlo a una instalación solar de gran tamaño aumenta el número de piezas y la complicación del sistema. Con ello, se presupone que es difícil bajar los costes de sistema. Una concentración sin separación espectral, como la que se propone aquí, solamente necesita un colector de radiación y un solo diseño angular y espectral, aunque también necesita colectar anchos de banda espectral y angular muy amplios. Ejemplos de las patentes que utilizan combinación de ópticas convencional y difractiva para separación espectral son: patente US 2009/01 14266 A1 , de Biles y Halter; WO2014036406 A1 , de Escarra et al.; US 2010/0212717 A1 , de Whitlock et al.; US 6.469.241 B1 , de Penn; US 2010/0032005 A1 , de Ford y Karp; US 6.015.950, de Converse; US 2007/0277869 A1 , de Shan et al.
Todos los enfoques anteriores introducen alguna complicación adicional a los sistemas existentes en el mercado, y la mayoría no resuelve el problema de la colección de amplios anchos de banda angular y espectral.
Explicación de la invención
El estudio del estado del arte delata que existen dos grandes problemas en la implementación de la holografía en aplicaciones solares, tanto térmicas como fotovoltaicas. El primero es la colección de la mayor parte del espectro solar posible sin necesidad de seguimiento activo (el seguimiento lo realiza el holograma sin movimiento del sistema). Dicha colección 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. Aún mejor sería colectar entre los 400 nm y los 1 .200 nm, es decir, el 80 por ciento del total energético del espectro. Sin embargo, los hologramas actuales, tienen una limitación en cuanto a ancho de banda espectral que pueden abarcar. Por tanto, la presente invención se basa, con la tecnología actual, en al menos dos redes de difracción superpuestas, es decir, multiplexadas, para captar el mínimo del 70 por ciento exigido. La investigación futura permitirá aumentar el ancho de banda por red de difracción y así reducir la necesidad de multiplexación.
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. A día de hoy, y sin tener en cuenta los posibles futuros avances en este campo, tanto los hologramas de reflexión como los de transmisión tienen una restricción en cuanto a su ancho de banda angular, 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 con la tecnología actual. Se podrán multiplexar tantas redes de alta eficiencia como permita el rango dinámico lineal del material. También aquí se aplica la posible reducción futura de número de redes multiplexadas con el avance de la tecnología.
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), es decir, si se desea aumentar significativamente la concentración, 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 interfaz entre dos medios con distinto índice de refracción, y es mayor cuanto mayor sea el ángulo de incidencia respecto a la normal. Los autores ya resolvieron este problema en diseños anteriores (patente EP201331 199). En ellos, los inconvenientes se sorteaban mediante el acople de holograma, varias ópticas convencionales y una estructura 3D con varios planos de diferente inclinación entre sí. De esta manera se consiguió optimizar un diseño de panel solar para una concentración de entre 2 y 10X. Sin embargo, se ha observado que, para mayores concentraciones, el consecuente aumento de volumen de todo el sistema conlleva inherentemente un aumento de peso y cantidad de materiales estructurales, convirtiendo dicho diseño en inviable económicamente, por la cantidad de material involucrado.
Era necesario por tanto evolucionar hacia un nuevo concepto en el que se mantuviera el compromiso entre competitividad económica, es decir, bajo consumo en materiales, y eficiencia óptica, es decir, mantener los anchos de banda espectrales y angulares.
En dicho concepto, objeto del presente documento, es necesario mantener una relativa planitud para no elevar el coste. Es decir, no es posible aplicar complicadas estructuras 3D. Por ello, se mantiene plano o ligeramente curvo el elemento óptico holográfico (7). El elemento óptico holográfico (7) y la óptica convencional (8) se acoplan pegados el uno a la otra. Así se observa en las Figuras 2 y 3, en las que ambos se representan ligeramente separados para poder observar gráficamente la radiación entre ellos. Además, sus índices de refracción deben asemejarse para evitar o minimizar pérdidas por reflexión Fresnel.
El elemento óptico holográfico (7) se debe diseñar de tal forma que capte como entrada, al menos, los anchos de banda angular de 60° y espectral de 600 nanómetros ya mencionados. O incluso mayores rangos, implicando, si procede, tantas redes de difracción multiplexadas como sea necesario sin afectar a la eficiencia. De esta forma, se evita un seguimiento activo, y es el holograma el que realiza el seguimiento pasivo. Por otro lado, el diseño del elemento óptico holográfico (7) también debe asegurar que toda esa radiación captada se envíe con un ángulo de salida específico, por ejemplo perpendicular, que asegure el correcto funcionamiento del elemento óptico convencional (8) al que se acopla.
La óptica convencional (8) acoplada al elemento holográfico (7) recoge la radiación de salida de este, enviada con un ángulo específico, por ejemplo perpendicular tal y como se representa en las Figuras 2 y 3, y la concentra en el receptor de radiación (6). Para ello, la óptica convencional se debe diseñar de tal forma que permita dicha concentración. Por ejemplo, se puede utilizar una lente convencional plano-convexa, una lente Fresnel o un arreglo periódico o no periódico de ópticas convencionales. El diseño fino de dicha óptica convencional (8) depende del factor de concentración deseado. De hecho, se puede y se debe ajusfar al mismo, lo cual dependerá en cada momento de cuál es el elemento más costoso de un panel solar. Si en un determinado momento las células solares son de precio elevado, entonces convendrá reducir su tamaño en el sistema, y se diseñará la óptica convencional (8) para una mayor concentración. En caso de que sean los materiales ajenos al receptor (6) los que suban de precio, convendrá ir a concentraciones menores. Por tanto, el sistema tiene alta versatilidad para adaptarse a los cambios del mercado. Según los cálculos realizados, un mismo diseño puede abarcar concentraciones que varían a partir de 10X, tan sólo variando el diseño de la óptica convencional (8). El elemento óptico holográfico (7) y la óptica convencional (8) se acoplan tal y como se observa en las Figuras 2 y 3, es decir, pegadas la una a la otra. En el caso de la Figura 2 y también de la Figura 4, el elemento óptico holográfico (7) es de reflexión. En este caso, los elementos ópticos (7) y (8) pueden reposar sobre una base (9) de cualquier material estructural. El sistema también puede realizarse en una configuración de transmisión (ver Figuras 3 y 5), en la cual el elemento óptico holográfico (7) será de transmisión. Por otro lado, tanto el elemento óptico holográfico (7) como la óptica convencional (8) deben diseñarse para captar las longitudes de onda más favorables al receptor (6). En este aspecto influyen tanto el diseño de las redes holográficas, como el material del que se construye la óptica convencional (8). Los únicos requisitos a exigir a dicho material son a.) transparencia en el intervalo óptimo de longitudes de onda, b.) resistencia a las inclemencias meteorológicas y radiación ultravioleta (UV), c.) índice de refracción similar al del elemento óptico holográfico (7) y d.) la mínima densidad posible, de forma que la relación peso / coste total del sistema sea económicamente viable.
Todo lo antenor se refiere a lo que denominamos "parte óptica" del sistema. La denominada "parte de generación" consta de un receptor de radiación (6) y un disipador de calor (12). El receptor de radiación siempre estará colocado a la distancia focal con que se diseñe la óptica convencional (8).
En el caso de un módulo solar fotovoltaico, el receptor de radiación (6) es una célula solar, y el disipador de calor (12) puede ser activo, como por ejemplo una tubería con fluido caloportador, o pasivo, como por ejemplo una estructura de disipación por convección mediante aletas metálicas. Si se utiliza un disipador activo, el módulo se convierte en híbrido, ya que además de producir electricidad fotovoltaica también puede calentar agua, o utilizar dicho calentamiento para producir vapor y con ello más electricidad a través del movimiento de una turbina. En el caso de un panel solar térmico o termoeléctrico, el receptor de radiación (6) y el disipador de calor (12) son el mismo: una tubería de fluido caloportador.
Una característica importante de la presente invención es la posibilidad de separación física de las partes óptica y de generación. Ambas pueden soportarse sobre sendas estructuras separadas, (10) para la parte óptica y (1 1 ) para la parte de generación. La ventaja de esta disposición es la menor complejidad mecánica, aportando mayor resistencia a vientos, vibraciones, etc. También es ventajosa la mayor versatilidad a la hora de transporte y montaje, reduciendo costes en ambos casos.
Ambas estructuras (10) y (1 1 ) son variables en posición, de forma que el sistema puede variar su inclinación, y un mismo sistema es válido para la mayoría de las latitudes terrestres.
El sistema modular de concentración solar descrito puede fabricarse en unidades de dimensiones pequeñas, de forma que es modulable. Es decir, puede aplicarse tanto a pequeñas instalaciones, como, uniendo módulos, también a grandes plantas de producción de energía eléctrica, tanto fotovoltaica como solar termoeléctrica.
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) incide prácticamente perpendicular sobre dicha superficie (1 ). Se desea incidir dicha radiación sobre receptores de radiación (6), por lo que su posición debe hacerse coincidir con el ángulo de salida de la radiación (5).
Figura 2. Conjunto óptico formado por un elemento óptico holográfico (7) y un elemento óptico convencional (8), representado en este caso como prismas tnangulares de diversos tamaños, emulando a una lente Fresnel. El elemento óptico holográfico (7) recibe radiaciones desde todos los ángulos de incidencia entre invierno (2) y verano (3), y los dirige en un plano específico, por ejemplo perpendicular, hacia el elemento óptico convencional (8). Éste se diseña para concentrar la radiación saliente (5) en un punto determinado por el diseño global del sistema. Esta Figura muestra la configuración para el caso de utilizar hologramas de reflexión. En la Figura los elementos ópticos holográfico (7) y convencional (8) se muestran separados para observar la radiación entre ellos, pero en una configuración real están unidos.
Figura 3. Conjunto óptico formado por un elemento óptico holográfico (7) y un elemento óptico convencional (8), representado en este caso como prismas triangulares de diversos tamaños, emulando a una lente Fresnel. El elemento óptico holográfico (7) recibe radiaciones desde todos los ángulos de incidencia entre invierno (2) y verano (3), y los dirige en un plano específico, por ejemplo perpendicular, hacia el elemento óptico convencional (8). Éste se diseña para concentrar la radiación saliente (5) en un punto determinado por el diseño global del sistema. Esta Figura muestra la configuración para el caso de utilizar hologramas de transmisión. En la Figura los elementos ópticos holográfico (7) y convencional (8) se muestran separados para observar la radiación entre ellos, pero en una configuración real están unidos. Figura 4. Esquema del sistema modular de concentración solar completo, objeto de la presente invención, formado por dos estructuras que pueden ser independientes. Una de ellas (10) da soporte y rigidez al conjunto óptico formado por una base (9), un elemento óptico holográfico (7) y un elemento óptico convencional (8). La segunda estructura (1 1 ) da soporte y rigidez al conjunto receptor, compuesto por un receptor de radiación (6), que puede ser una célula solar o una tubería de fluido caloportador, y un disipador de calor (12) que puede ser activo (con fluido de refrigeración) o pasivo (con aletas disipadoras por convección). Este sistema, representado aquí para el caso de un holograma de reflexión, es capaz de realizar un seguimiento sin movimiento de la radiación en todas las épocas del año, desde verano (3) hasta invierno (2), y reflejarla (5) hasta concentrarla en el receptor (6). Figura 5. Esquema del sistema modular de concentración solar completo, objeto de la presente invención, formado por dos estructuras que pueden ser independientes. Una de ellas (10) da soporte y rigidez al conjunto óptico formado por un elemento óptico holográfico (7) y un elemento óptico convencional (8). La segunda estructura (1 1 ) da soporte y rigidez al conjunto receptor, compuesto por un receptor de radiación (6), que puede ser una célula solar o una tubería de fluido caloportador, y un disipador de calor (12) que puede ser activo (con fluido de refrigeración) o pasivo (con aletas disipadoras por convección). Este sistema, representado aquí para el caso de un holograma de transmisión, es capaz de realizar un seguimiento sin movimiento de la radiación en todas las épocas del año, desde verano (3) hasta invierno (2), y transmitirla (5) hasta concentrarla en el receptor (6).
Modos de realización de la invención
En una configuración preferida, pero no exclusiva, el sistema modular de concentración solar, tanto térmico como fotovoltaico, consistirá de varias estructuras (10) y (1 1 ) acopladas entre sí de tal forma que se concentre la luz recibida por la parte óptica, (7) y (8), en la de generación, (6) y (12). Las medidas de cada módulo unitario a soportar por la estructura (10) pueden ser, por ejemplo, de 1 .300x1 .000 mm, es decir, muy cercanas a las magnitudes de cualquier panel estándar. La base (9) puede estar realizada en cualquier material, por ejemplo madera o plástico. La estructura (10) puede ser realizada en cualquier material estructural, por ejemplo acero. El holograma (7) se realizará en material fotosensible sobre un sustrato rígido o flexible transparente y de su mismo índice de refracción. La óptica convencional (8) se fabricará con las mismas características - transparencia e índice de refracción - que la óptica difractiva, y en materiales acordes, como por ejemplo plásticos transparentes o vidrio, resistentes al clima y a la radiación UV, y de la mínima densidad posible. La estructura (1 1 ) que da soporte al receptor (6) tendrá las medidas necesarias para que se produzca la concentración en dicho receptor. Sus dimensiones dependerán en gran medida de la concentración que se desea realizar, y en base a la cual se diseña la óptica convencional (8). Por ejemplo, para una concentración de 16X, y las dimensiones de módulo unitario mencionadas anteriormente, la estructura (1 1 ) colocará el receptor a una longitud de 3,3 metros respecto a conjunto óptico (7) y (8), distancia que se corresponde con la distancia focal de la óptica convencional (8). En esas condiciones, la anchura del receptor (6) es de 78 milímetros, es decir, la mitad de una célula solar convencional de 1 56 milímetros de lado. Todas estas dimensiones varían y las geometrías se adaptan en función del factor de concentración deseado, que puede variar a partir de 10X.
En diversas configuraciones, el receptor (6) puede ser una célula solar para un sistema fotovoltaico, o una tubería de fluido caloportador para un sistema solar térmico o termoeléctrico. En el caso de que el receptor (6) sea una célula fotovoltaica, ha de ir acompañado de un disipador de calor (12), que puede ser activo - como por ejemplo una tubería con fluido refrigerante, con lo cual se puede tener un sistema solar híbrido térmico/fotovoltaico - o pasivo, como por ejemplo una estructura estática de aletas disipadoras. Si se trata de un sistema solar termoeléctrico o térmico, no hay necesidad de disipador de calor (12) y la tubería de fluido caloportador se convierte en el receptor (6).
Todas esas configuraciones, además, pueden realizarse en sistemas concentradores por reflexión, tal y como se representa en la Figura 4, donde la óptica difractiva o elemento óptico holográfico (7) es por ejemplo un holograma de reflexión, y la estructura (1 1 ) que soporta la parte de generación se sitúa por encima de la que soporta la parte óptica (10). O, también, pueden realizarse en sistemas concentradores por transmisión, tal y como se representa en la Figura 5, donde la óptica difractiva (7) es por ejemplo un holograma de transmisión, y la estructura (1 1 ) que soporta la parte de generación se sitúa por debajo de la que soporta la parte óptica (10).

Claims

REIVINDICACIONES
Sistema modular de concentración solar caracterizado por estar compuesto por dos partes, una óptica que concentra en una de generación, la primera de ellas formada por un elemento óptico holográfico (7) acoplado a una óptica concentradora convencional (8) del mismo o muy parecido índice de refracción sobre una estructura (10), y la segunda por un receptor de radiación (6), un disipador de calor (12) y una estructura (1 1 ).
Sistema modular de concentración solar según reivindicación 1 , caracterizado por que las partes óptica y de generación pueden estar separadas físicamente. Sistema modular de concentración solar según reivindicación 1 , caracterizado por que el elemento óptico holográfico (7) se diseña de modo que estando fijo pueda captar radiación incidente en todas las épocas del año y las horas del día, evitando así el seguimiento activo de la radiación solar, y cuya radiación saliente se efectúe en la dirección o direcciones determinadas por la óptica convencional (8).
Sistema modular de concentración solar según reivindicaciones 1 y 3, caracterizado por que la óptica convencional (8) se diseña para concentrar su radiación incidente, proveniente del elemento óptico holográfico (7), en el receptor de radiación (6) colocado en la distancia focal de la óptica convencional (8), y dicho diseño es versátil de forma que puede acoger factores de concentración a partir de 10X que dependerán, entre otros factores, de la variación que experimenten los precios de los distintos componentes del sistema en el tiempo.
Sistema modular de concentración solar según reivindicación 1 , caracterizado por que las estructuras (10) y (1 1 ) admiten variación de posición, de tal forma que la inclinación de los planos de las ópticas (7) y (8), así como la del receptor (6) pueden ajustarse a todas las latitudes.
6. Sistema modular de concentración solar según reivindicación 1 , caracterizado por que el receptor (6) puede ser una célula solar fotovoltaica en el caso de utilizarse como módulo solar fotovoltaico, o una tubería con fluido caloportador en el caso de utilizarse como panel solar térmico o termoeléctrico.
7. Sistema modular de concentración solar según reivindicaciones 1 y 6, caracterizado por que el disipador de calor (12) coincide con el receptor (6) en el caso de utilizarse como panel solar térmico o termoeléctrico, mientras que es un elemento separado en el caso de módulo solar fotovoltaico, y en este último caso puede tratarse de un disipador activo, como por ejemplo una tubería de fluido caloportador conformando así un módulo híbrido térmico-fotovoltaico o termoeléctrico-fotovoltaico, o de un disipador pasivo, como por ejemplo una estructura metálica de aletas disipadoras.
8. Sistema modular de concentración solar según reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la óptica convencional (8) se sitúa encima del elemento óptico holográfico (7), y éste opcionalmente sobre una base estructural (9), y dicho conjunto - parte óptica - se sitúa por debajo de la parte de generación, conformando así un sistema modular de concentración solar por reflexión.
Sistema modular de concentración solar según reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la óptica convencional (8) se sitúa debajo del elemento óptico holográfico (7), y dicho conjunto - parte óptica - se sitúa por encima de la parte de generación, conformando así un sistema modular de concentración solar por transmisión.
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