DISPOSITIVO PARA LA TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA SOLAR CONCENTRADA.

Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada.

La invención protege un dispositivo de transformación de energía solar concentrada que comprende célula fotovoltaica (30) y dispositivo láser (20), que posee un primer espejo reflectante (5) adaptado para la entrada de un haz de rayos solares (8) y un segundo espejo reflectante (6) adaptado para la salida de un rayo láser (10), siendo el primer espejo reflectante (5) reflectivo en la longitud de onda de salida del rayo láser (10) y transparente a la totalidad del espectro solar y el segundo espejo reflectante (6) parcialmente reflectivo en la longitud de onda de salida del rayo láser (10), reflectivo en el intervalo del espectro solar que se absorbe y transparente en las longitudes de onda distintas a éstas y a la de de salida del rayo láser (10). Posee un núcleo (1) dopado con sustancias para la absorción total o parcial del espectro solar y un sendos revestimientos (2, 3).

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DISPOSITIVO PARA LA TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA SOLAR CONCENTRADA

5 D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

10 El objeto de la invención es un dispositivo para la transformación de energía solar concentrada que posee una serie de características técnicas que permiten aumentar la eficiencia y minimizar los costes globales de transformación de energía solar a energía eléctrica en una eventual planta solar, optimizando el aprovechamiento de la totalidad del espectro solar.

15 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

20 25 La captación de energía solar y su concentración es una cuestión ampliamente investigada, desarrollada y aplicada en el estado de la técnica. Los desafíos actuales de las plantas solares son maximizar el ratio C/Cmáx. de los colectores concentradores, siendo C la concentración y Cmáx. la concentración máxima teórica, minimizar las pérdidas geométricas debidas al llamado efecto coseno, a las sombras y a los bloqueos entre seguidores, minimizar las pérdidas ópticas y térmicas y disminuir los costes de las instalaciones a niveles que hagan competitiva la tecnología en relación a otras fuentes de energía.

30 Maximizar la concentración nos permite reducir las pérdidas térmicas en la planta, reducir el coste de los dispositivos receptores, típicamente termosolares o fotovoltaicos y/o aumentar las temperaturas típicas de trabajo de los fluidos caloportadores o de los reactores para la obtención de

combustibles solares.

Otro gran reto de la industria es la transformación de la energía solar en energía eléctrica. En el estado de la técnica existen esencialmente dos 5 vías, la tecnología fotovoltaica y la tecnología termosolar.

Respecto a la tecnología fotovoltaica, está en continuo desarrollo, y

cuenta con potencial de mejora suficiente como para poder superar en eficiencia a las plantas solares termoeléctricas, gracias al futuro uso de materiales avanzados. Sin embargo, tiene la desventaja de que no es gestionable y de que existe un rango de longitud de onda por encima de la cual las células fotovoltaicas no son capaces de convertir toda la energía de los fotones en energía eléctrica y por debajo de la cual el exceso de energía transportada por el fotón se pierde en forma de calor.

La tecnología termosolar, no posee las desventajas comentadas para las células fotovoltaicas pero sin embargo tiene otros problemas. Actualmente se prevé que las plantas de receptor central tipo torre permitan, en el medio plazo, mejorar tanto en eficiencia como en coste al resto de tecnologías comerciales existentes en el mercado de las grandes plantas de producción de electricidad. Sin embargo, las plantas de receptor central poseen elevados efectos cosenos (efecto de disminución del área de la superficie reflectiva que provoca el hecho de que los rayos incidentes formen un determinado ángulo con la normal a dicha superficie) , desbordamientos en el receptor, pérdidas por transmisividad y otros fenómenos que limitan su eficiencia comparada con el potencial de la tecnología fotovoltaica. En lo que se refiere a generación distribuida o mercado de las decenas de kW, los discos Stirling son una solución en desarrollo todavía cara pero prometedora. Una de las cuestiones que encarecen esta tecnología es el hecho de tener que soportar un motor

pesado en voladizo en el foco del concentrador.

La tecnología termosolar presenta como ventajas, su inercia térmica y

la posibilidad de almacenamiento de la energía transformada y posibilidad de hibridación.

Las limitaciones de las plantas de receptor termosolar pueden salvarse utilizando guías de luz para transportar la luz concentrada. Es conocido que las guías de luz permiten alcanzar aperturas numéricas, es decir, el rango de ángulos para los cuales la guía acepta luz, muy elevadas, pero tienen el inconveniente de que están fabricadas mediante materiales que no son capaces de transmitir todo el ancho espectral del sol, con pérdidas que no hacen viable esta tecnología. La ventana del espectro solar que se puede guiar sin pérdidas va desde los 1250 nm hasta un límite superior de 1650 nm presentando unas pérdidas de 0.2 dB/km entorno a los 1550 nm.

Son también conocidos los láseres solares que transforman parcialmente el espectro de la luz solar incidente en un rayo láser. Este tipo de láseres solares poseen los siguientes elementos:

-una cavidad óptica, también llamada resonador u oscilador, 20 constituida por dos espejos reflectantes entre los que la luz láser queda atrapada al reflejarse alternativamente en ambos,

-un medio activo dopado situado entre ambos espejos reflectantes, que puede ser sólido, líquido o gaseoso y cuya función es la de amplificar un rango de longitudes de onda y

de modos específicos conforme los fotones van sufriendo múltiples reflexiones dentro de la cavidad y van pasando por él,

-una fuente de luz solar, capaz de generar inversión de la población en el medio activo, es decir, luz capaz de conseguir 30 que en dicho medio se tengan más átomos en un estado

excitado o de energía mecánico-cuántico más alta, lo que permitirá que gran parte de los átomos del sistema emitan luz en condiciones denominadas estimuladas.

Preferentemente, tanto el resonador como el medio activo del láser solar son cilíndricos y en sus extremos se sitúan los espejos reflectantes. Los láseres solares normalmente están iluminados lateralmente por la luz solar concentrada mediante concentradores tipo CPC o Compound Parabolic Concentrator. El primer espejo reflectante de la cavidad está adaptado para ser altamente reflectivo únicamente en la zona de longitud de salida del láser y sus alrededores. El segundo espejo, es decir, el de salida del láser, refleja parcialmente la luz láser incidente y transmite la fracción que no refleja, esta luz transmitida es en sí, la luz láser que genera el dispositivo. De este modo, los fotones quedan atrapados en el resonador moviéndose de un espejo a otro y siendo amplificados por el medio activo.

Si la amplificación es lo suficientemente elevada como para superar las pérdidas, lo que se denomina comúnmente condición umbral, un único fotón puede ser amplificado varios órdenes de magnitud para producir un número muy elevado de fotones coherentes atrapados dentro del resonador. Si los fotones van y vienen entre los espejos durante un periodo de tiempo suficientemente largo, el láser alcanzará un régimen permanente y una potencia constante circulará entre los espejos. El láser solar puede transformar, por lo tanto, una parte del espectro solar entrante en un rayo láser saliente a una longitud de onda determinada. El material del medio activo tiene un espectro de absorción que no tiene porqué coincidir con su espectro de emisión.

El bombeo de energía solar al láser puede producirse tanto por la cara 30 lateral del mismo como longitudinalmente al mismo, es decir, por uno de los extremos, de modo que, la luz es inyectada en la dirección del rayo láser generado.

Son también conocidas en el estado de la técnica las guías de luz PCF

(Photonic Cr y stal Fiber) que son un tipo de fibra óptica basada en las propiedades de los cristales fotónicos y que poseen normalmente un núcleo y un revestimiento de distinto índice de refracción de modo que la luz puede ser transportada a través de la misma a grandes distancias, bien a través del núcleo en modo único, o bien, en el interior del interfaz núcleo-revestimiento gracias al mecanismo de la reflexión interna total basado en el guiado de luz originado por una diferencia en el índice de refracción distinto entre dos medios.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo para la transformación de energía solar concentrada objeto de la invención comprende, según lo anterior:

• un medio activo para la absorción total o parcial del espectro solar y para la formación de un rayo láser. La combinación material de acogida-sustancia dopante estará preferentemente seleccionada de tal manera que el dispositivo láser absorberá un intervalo del espectro solar definido y emitirá luz láser en una longitud de onda también definida menor o mayor al rango incidente,

• un primer espejo reflectante adaptado para la entrada de un haz de luz incidente concentrada y un segundo espejo reflectante adaptado para la salida de un rayo láser. Donde el primer espejo reflectante es reflectivo en la longitud de onda de salida del rayo láser y el segundo espejo reflectante es parcialmente reflectivo en la longitud de onda de salida del rayo láser (10) .

El medio activo, por lo tanto, está localizado entre el primer espejo reflectante y el segundo...

1. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, que comprende un dispositivo láser (20) que comprende a su vez:

• un medio activo para la absorción total o parcial del espectro solar y para la formación de un rayo láser (10) ,

• un primer espejo reflectante (5) adaptado para la entrada de un haz de luz incidente concentrada (8) y

• un segundo espejo reflectante (6) adaptado para la salida del rayo láser (10) ,

• siendo el primer espejo reflectante (5) reflectivo en la longitud de onda de salida del rayo láser (10) y siendo el segundo espejo reflectante (6) parcialmente reflectivo en la longitud de onda de salida del rayo láser (10) ,

• estando el medio activo localizado entre el primer espejo reflectante (5) y el segundo espejo reflectante (6) que se sitúan en disposición enfrentada,

caracterizado porque comprende adicionalmente una célula fotovoltaica (30) en serie con el dispositivo láser (20) , siendo el primer espejo reflectante (5) transparente a la totalidad de las longitudes de onda del espectro solar y el segundo espejo reflectante (6) reflectivo en el intervalo de longitudes de onda de absorción del medio activo y transparente en las longitudes de onda distintas a estas y a la de salida del rayo láser (10) y donde el dispositivo láser (20) comprende:

• como medio activo un núcleo (1) dopado con sustancias capaces de absorber total o parcialmente el espectro solar y de generar un rayo láser

(10) y situado longitudinalmente respecto del dispositivo láser (20) ,

• un primer revestimiento (2) del núcleo (1) que posee un índice de refracción inferior al índice de refracción del núcleo (1) de modo que el rayo láser (10) generado es transmisible dentro del interfaz núcleo (1) primer revestimiento (2) en modo único,

• un segundo revestimiento (3) de índice de refracción inferior al del primer revestimiento (2) de modo que el haz de luz incidente concentrada (8) es transmisible dentro del interfaz primer (2) - segundo (3) revestimiento mediante el mecanismo de reflexión interna total.

2. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 1, caracterizado porque la sección del primer revestimiento (2) es no circular.

3. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la 15 reivindicación 2, caracterizado porque la sección del primer revestimiento (2) es asimétrica.

4. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo revestimiento (3) 20 comprende tubos longitudinales (4) para la circulación de aire.

5. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo revestimiento (3) comprende una sección circular.

6. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer revestimiento (2) está dopado.

7. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la 30 reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo (1) del dispositivo láser (20) comprende una sección central (12) longitudinal dopada y secciones extremas longitudinales (11) no dopadas.

8. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo (1) del dispositivo láser (20) comprende diferentes secciones (13, 14, 15, 16) longitudinales con distinto dopaje.

9. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo (1) del dispositivo láser (20) comprende una primera sección (18) longitudinal no dopada, seguida de una segunda sección (17) longitudinal dopada.

10. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 1, caracterizado porque la célula fotovoltaica (30) está situada antes del dispositivo láser (20) .

11. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la célula fotovoltaica (30) genera energía eléctrica que alimenta al dispositivo láser (20) para cubrir su consumo.

12. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos dos células fotovoltaicas (30) situadas en serie.

13. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos dos dispositivos láser (20) situados en serie con núcleos 30 (1) con capacidad de absorción de longitudes de onda distinta del espectro solar.

14. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 13, caracterizado porque la célula fotovoltaica (30) está situada 5 antes del dispositivo láser (20) .

15. Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada, según la reivindicación 13, caracterizado porque comprende un dispositivo láser (20) que posee un núcleo (1) de Nd:YAG en serie con un dispositivo láser (20) que posee un núcleo (1) de Yb:YAG y en serie con un dispositivo láser (20) que posee un núcleo (1) de Cr4+:MgSiO4.