Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar y receptor fotovoltaico.
Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3),
que comprende un receptor absorbedor térmico (2) por el que circula un fluido calo-portador, y, adicionalmente al menos un filtro de separación espectral (4), situado entre el receptor fotovoltaico (3) y el receptor absorbedor térmico (2), que recibe la luz reflejada del espejo primario (1) del cilindro paramétrico y que permite la separación selectiva del espectro solar, dirigiendo una parte del mismo hacia el receptor fotovoltaico (3) y el resto hacia el receptor absorbedor térmico (2).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331946.
Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: DE DIOS PARDO,ANTONIO, NÚÑEZ BOOTELLO,JUAN PABLO, CAPARROS JIMENEZ,Sebastián, Noriega Gil,Pablo, CASTAÑO SÁNCHEZ,Fernando Jesús, BOYLE,Keith.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F24J2/00
- H01L31/0525 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › que comprenden medios para utilizar la energía térmica asociada directamente con la célula fotovoltaica, p. ej. elementos Seebeck integrados.
- H01L31/055 H01L 31/00 […] › donde la luz es absorbida y re-emitida en una longitud de onda diferente por el elemento óptico directamente asociado o integrado con la célula fotovoltaica, p. ej. mediante el uso de material luminiscente, concentradores fluorescente o disposiciones de conversión ascendente.
- H02S10/30 H […] › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02S GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE LA CONVERSIÓN DE LA RADIACIÓN INFRARROJA, LUZ VISIBLE O LUZ ULTRAVIOLETA, p. ej. UTILIZANDO MÓDULOS FOTOVOLTAICOS [FV] (obtención de energía eléctrica a partir de fuentes radiactivas G21H 1/12; dispositivos semiconductores inorgánicos sensibles a la luz H01L 31/00; dispositivos termoeléctricos H01L 35/00; dispositivos piroeléctricos H01L 37/00; dispositivos semiconductores orgánicos sensibles a la luz H01L 51/42). › H02S 10/00 Plantas de energía FV; Combinaciones de sistemas de energía FV con otros sistemas para la generación de energía eléctrica. › Sistemas termo-fotovoltaicos (células fotovoltaicas especialmente adaptadas para la conversión o sensibles a la radiacción infrarroja [IR] H01L 31/00; dispositivos termoeléctricos H01L 35/00).
- H02S40/22 H02S […] › H02S 40/00 Componentes o accesorios en combinación con módulos FV, no previstos en los grupos H02S 10/00 - H02S 30/00. › Medios reflectantes o concentradores de luz (directamente asociados con la célula FV o integrados con la célula FV H01L 31/054).
Fragmento de la descripción:
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Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar y receptor fotovoltaico
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema híbrido de receptores termosolares de cilindro paramétrico y receptores fotovoltaicos en un sistema integrado de concentración solar. 10
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Dentro de la tecnología de concentración solar se pueden distinguir dos grandes bloques: concentración solar térmica y concentración solar fotovoltaica.
El principio de funcionamiento de ambas se basan en el mismo concepto: usar un sistema óptico que concentre la luz. Dicha luz concentrada puede dirigirse para calentar un fluido que entre en un ciclo de turbina, en caso de térmica, o generar directamente electricidad vía efecto fotoeléctrico en un semiconductor, para el caso de fotovoltaica.
La tecnología de concentración fotovoltaica consiste en concentrar niveles de radiación solar sobre células de un tamaño muy reducido. El empleo de un elemento óptico de mucho menor coste para concentrar la luz incidente permite el uso de células solares de mayor eficiencia (y generalmente de mayor coste) . Estos sistemas pueden potencialmente ser más competitivos en coste que sistemas convencionales de fotovoltaica al reemplazar gran parte del área de semiconductor por elementos ópticos estándares tales como lentes o espejos, además de ser más eficientes.
La combinación de elementos reflexivos y refractivos da lugar a una amplia variedad de sis
temas de concentración solar. No obstante, en la mayoría de los sistemas de concentración fotovoltaica se han empleado lentes de fresnel con elementos secundarios de concentración, sistemas de doble espejos con homogeneizadores de luz o sistemas CPC (concentrador parabólico compuesto) dieléctricos o espejados.
Asimismo, en el área de sistemas de concentración solar térmica las dos tecnologías 35 que actualmente dominan el mercado son la de cilindro parabólico y la de torre.
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Particularmente, la tecnología cilindro parabólico consiste en un espejo parabólico que focaliza la luz en un tubo absorbedor por el que circula un fluido calo-portador. Dicho fluido se calienta y se usa posteriormente para calentar vapor que se utiliza en un ciclo de turbina tradicional.
En la actualidad, la producción de electricidad mediante plantas de concentración termosolares no se encuentra entre las más competitivas desde un punto de vista económico, dentro de las tecnologías renovables para obtener energía eléctrica a partir del sol. Las plantas con tecnología de concentración termosolar (bien sean cilindro parabólicos o de torre) presentan costes de producción de energía más elevados que los asociados a sistemas fotovoltaicos o eólicos. Sin embargo, los sistemas de concentración termosolar tienen una ventaja competitiva al poder operar con almacenamiento térmico. Dicho almacenamiento proporciona gestionabilidad, así como suministro de electricidad en las franjas horarias donde el consumo eléctrico es más significativo. Esto supone un factor diferenciador de la tecnología termosolar, frente a, por ejemplo, las tecnologías eólica o fotovoltaica.
En el caso de la concentración solar fotovoltaica, se consiguen sistemas más eficientes y económicos que los de concentración termosolar, pero presentan el inconveniente de que no son gestionables y no pueden almacenar la energía de forma eficiente y efectiva en coste, comparado con tecnología termosolar El documento US 2009/0283144 A1 proporciona un dispositivo con una o varias células solares fotovoltaicas y al menos un espejo concentrador solar situado en las proximidades de las células solares. El espejo comprende una película óptica multicapa y una capa de protección UV aplicada sobre la anterior película, de modo que el espejo concentrador solar refleja una franja del espectro visible (la correspondiente al ancho de banda de absorción de la célula solar) hacia la célula solar, y transmite las longitudes de onda que pueden degradar o afectar de manera negativa a la célula solar. Así se consigue un funcionamiento mejorado de las células solares fotovoltaicas.
En cuanto a los sistemas híbridos fotovoltaico-termosolar, existen en la literatura científica varios conceptos que utilizan separación espectral para conseguir una mejor utilización del espectro solar combinando colectores termosolares y células solares. Sin embargo, la integración de las tecnologías termosolares y fotovoltaicas en un único sistema híbrido de concentración solar no resulta trivial. Algunas propuestas se refieren a sistemas de separación espectral aplicados a un sistema con discos y motores Stirling.
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Se hace, pues, necesario obtener un sistema híbrido fotovoltaico-termosolar que resuelva los inconvenientes anteriormente mencionados, de forma que el sistema integrado se caracterice por un menor coste que la tecnología estándar termosolar, debido a la inclusión de la parte fotovoltaica trabajando muy eficientemente en el rango espectral selectivo, y que además sea gestionable, proporcionando la energía de manera estable y en las franjas horarias cuando realmente se necesita.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Por tanto, el objeto de la invención es proporcionar un sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar y receptor fotovoltaico que permita el almacenamiento y la gestionabilidad de la energía con menores costes de producción que la tecnología estándar termosolar, siendo un sistema integrado de concentración solar más eficiente.
El sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar y receptor fotovoltaico de la invención comprende un receptor absorbedor térmico por el que circula un fluido calo-portador, y, adicionalmente, al menos un filtro de separación espectral, situado entre el receptor fotovoltaico y el receptor absorbedor térmico, que recibe la luz reflejada del espejo primario del cilindro paramétrico y que permite la separación selectiva del espectro solar, dirigiendo una parte del mismo hacia el receptor fotovoltaico y el resto hacia el cilindro paramétrico.
Según una realización de la invención la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor fotovoltaico es la parte reflejada por el filtro de separación espectral y la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor absorbedor térmico es la parte transmitida por el filtro de separación espectral.
Según otra realización de la invención la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor fotovoltaico es la parte transmitida por el filtro de separación espectral y la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor absorbedor térmico es la parte reflejada por el filtro de separación espectral.
El filtro de separación espectral, por tanto, permite la separación selectiva del espectro solar, de tal manera que las franjas de radiación se dirigen selectivamente a cada uno de los receptores (térmico y fotovoltaico) . El rango espectral de la parte focalizada al receptor fotovol P201331946
taico se sitúa específicamente en la franja donde la célula solar opera con un mejor rendimiento. Ello redunda en un sistema integrado más eficiente, en el que se optimizan los costes.
El sistema híbrido de la invención presenta las siguientes ventajas:
- Se logra un mejor aprovechamiento de la radiación solar con respecto a los sistemas fotovoltaicos tradicionales o de concentración solar térmica por separado. -Se logra dotar al sistema integrado de gestionabilidad, en comparación con los sistemas fotovoltaicos tradicionales o de concentración fotovoltaica.
Por tanto se trata de una solución que resulta económicamente más rentable, en el que la energía es gestionable y donde se mantienen las ventajas propias de las energías renovables (reducción de gases de efecto invernadero, de contaminación, etc.) .
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Fig. 1: muestra una vista esquemática de la invención según una realización, denominada en lo sucesivo configuración directa.
Fig. 2: muestra una vista esquemática de la invención según otra realización, denominada 25 en lo sucesivo configuración inversa.
Fig. 3: muestra una vista esquemática de otra realización de la invención. Fig. 4: muestra una vista esquemática de otra realización de la invención.
Fig. 5: muestra una representación esquemática del funcionamiento del filtro de separación espectral....
Reivindicaciones:
1. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , que comprende un receptor absorbedor térmico (2) por el que circula un fluido calo-portador, caracterizado porque comprende adicionalmente al menos un filtro de separación espectral (4) , situado entre el receptor fotovoltaico (3) y el receptor absorbedor térmico (2) , que recibe la luz reflejada del espejo primario (1) del cilindro paramétrico termosolar (14) y que permite la separación selectiva del espectro solar, dirigiendo una parte del mismo hacia el receptor fotovoltaico (3) y el resto hacia el receptor absorbedor térmico (2) .
2. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 1, caracterizado porque la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor fotovoltaico (3) es la parte reflejada por el filtro de separación espectral (4) y la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor absorbedor térmico (2) es la parte transmitida por el filtro de separación espectral (4) .
3. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 1, caracterizado porque la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor fotovoltaico (3) es la parte transmitida por el filtro de separación espectral (4) y la parte del espectro solar dirigida hacia el receptor absorbedor térmico (2) es la parte reflejada por el filtro de separación espectral (4) .
4. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el receptor fotovoltaico (3) se encuentra sobre el espejo primario (1) del cilindro paramétrico termosolar.
5. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende un colector secundario (5) que reconcentra la luz sobre el receptor absorbedor térmico (2) .
6. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende varios filtros de separación espectral (4) y varios receptores fotovoltaicos (3) .
7. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espejo primario (1) del cilindro paramétrico puede ser de vidrio curvado.
8. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según
la reivindicación 7, caracterizado porque la superficie reflectante del espejo primario (1) del cilindro paramétrico puede estar fabricada en plata o aluminio.
9. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos un filtro de separación espectral (4) puede ser curvado, plano o faceteado.
10. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el receptor fotovoltaico (3) comprende:
- vidrio -encapsulantes -células fotovoltaicas (12) interconectadas y -un sistema de gestión térmica.
11. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 10, caracterizado porque el receptor fotovoltaico (3) comprende adicionalmente espejos reconcentradores (8) .
12. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el sistema de gestión térmica del receptor fotovoltaico (3) es un sistema pasivo, como un sistema de disipadores (9) de aluminio extruido.
13. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el sistema de gestión térmica del receptor fotovoltaico (3) es un sistema activo, con un circuito (13) por el que circula fluido refrigerante.
14. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 13, caracterizado porque el fluido refrigerante es agua.
15. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el sistema de gestión térmica del receptor fotovoltaico (3) es un sistema de tubo de transferencia de calor, consistente en un tubo (10) sellado con un material adherido a sus paredes y que contiene fluido en su interior.
16. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el filtro de separación espectral (4) comprende una capa antirreflejante, de pasivación, de vidrio y una
multicapa de óxidos conductores transparentes.
17. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones 2 y 4 a 16, caracterizado porque el filtro de separación espectral (4) es un filtro de máxima reflectancia entre 550 y 950 nm, y máxima transmitancia entre 300 y 550 nm y entre 950 y 2500 nm.
18. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 17, caracterizado porque el filtro de separación espectral (4) queda definido por la siguiente secuencia:
200L/V/100L /48H/ (145L/85H) x3/280L
siendo V vidrio, H óxido de niobio transparente de alto índice de refracción (n_H=2.30) y L óxido de silicio transparente de bajo índice de refracción (n_L=1.43) , y en la que los números que aparecen antes de cada uno de los materiales hacen referencia al espesor de la capa de dicho material (en nanómetros) , estando la capa (145L/85H) repetida tres veces.
19. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 16, caracterizado porque el filtro de separación espectral (4) es un filtro de máxima reflectancia entre 400 y 550 nm y para más de 950 nm, y de máxima transmitancia entre 550 y 950 nm.
20. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 19, caracterizado porque el filtro de separación espectral (4) queda definido por la siguiente secuencia:
V/M/90L/25H/ (75L/42H) x3/150L
siendo V vidrio, H óxido de niobio transparente de alto índice de refracción (n_H=2.30) , L óxido de silicio transparente de bajo índice de refracción (n_L=1.43) y M un material transparente en el visible y reflectante en el infrarrojo, y en la que los números que aparecen antes de cada uno de los materiales hacen referencia al espesor de la capa de dicho material (en nanómetros) , estando la capa (75L/42H) repetida tres veces.
21. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el número de capas de óxidos del filtro de separación espectral (4) está comprendido entre 1 y 200.
22. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 21, caracterizado porque el número de capas de óxidos del filtro de separación espectral (4) está comprendido entre 4 y 100.
23. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , se5 gún la reivindicación 22, caracterizado porque el número de capas de óxidos del filtro de separación espectral (4) está comprendido entre 5 y 20.
24. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espesor de las capas de óxidos está comprendido entre 1 y 1000 nm.
25. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según la reivindicación 24, caracterizado porque el espesor de las capas de óxidos está entre 5 y 400 nm.
26. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar (14) y receptor fotovoltaico (3) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espejo primario (1) 15 tiene forma de parábola.
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