CONCENTRADOR OPTICO DE ALTA GANANCIA Y PARAMETROS VARIABLES (COPV).
Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables.
La presente invención tiene por objeto un dispositivo que permite la concentración óptica de los rayos luminosos que inciden sobre una parte del mismo denominada "superficie o área de iluminación o captación (AI)" en otra parte del dispositivo,
denominada "superficie o área de concentración (AC)". El sensor o célula o dispositivo sobre el que se desee hacer incidir la luz concentrada se sitúa en la posición definida como AC. Este sistema óptico de concentración puede utilizarse en sistemas de producción de energía eléctrica mediante la conversión de energía solar, situando en AC una célula fotovoltaica o dispositivo análogo o en cualquier otro montaje en el que interese conseguir una concentración de luz muy alta en un área (AC) mucho menor que la superficie sobre la que incide la luz (AI).
Entre las aplicaciones del dispositivo propuesto destaca particularmente la generación de energía eléctrica a partir de energía solar mediante sistemas fotovoltaicos de alta concentración
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200702479.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE SEVILLA.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: SEVILLA.
Inventor/es: GOMEZ GONZALEZ,EMILIO, MARQUEZ RIVAS,JAVIER.
Fecha de Solicitud: 14 de Septiembre de 2007.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 19 de Enero de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- G02B19/00 FISICA. › G02 OPTICA. › G02B ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene prioridad; elementos ópticos especialmente adaptados para ser utilizados en los dispositivos o sistemas de iluminación F21V 1/00 - F21V 13/00; instrumentos de medida, ver la subclase correspondiente de G01, p. ej. telémetros ópticos G01C; ensayos de los elementos, sistemas o aparatos ópticos G01M 11/00; gafas G02C; aparatos o disposiciones para tomar fotografías, para proyectarlas o para verlas G03B; lentes acústicas G10K 11/30; "óptica" electrónica e iónica H01J; "óptica" de rayos X H01J, H05G 1/00; elementos ópticos combinados estructuralmente con tubos de descarga eléctrica H01J 5/16, H01J 29/89, H01J 37/22; "óptica" de microondas H01Q; combinación de elementos ópticos con receptores de televisión H04N 5/72; sistemas o disposiciones ópticas en los sistemas de televisión en colores H04N 9/00; disposiciones para la calefacción especialmente adaptadas a superficies transparentes o reflectoras H05B 3/84). › Condensadores (para microscopios G02B 21/08).
Clasificación PCT:
- G02B19/00 G02B […] › Condensadores (para microscopios G02B 21/08).
Fragmento de la descripción:
Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables (COPV).
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto un dispositivo que permite la concentración óptica de los rayos luminosos que inciden sobre una parte del mismo denominada "superficie o área de iluminación o captación (AI)" en otra parte del dispositivo, denominada "superficie o área de concentración (AC)". El sensor o célula o dispositivo sobre el que se desee hacer incidir la luz concentrada se sitúa en la posición definida como AC. Este sistema óptico de concentración puede utilizarse en sistemas de producción de energía eléctrica mediante la conversión de energía solar, situando en AC una célula fotovoltaica o dispositivo análogo o en cualquier otro montaje en el que interese conseguir una concentración de luz muy alta en un área (AC) mucho menor que la superficie sobre la que incide la luz (AI).
Entre las aplicaciones del dispositivo propuesto destaca particularmente la generación de energía eléctrica a partir de energía solar mediante sistemas fotovoltaicos de alta concentración.
Estado de la técnica
Los sistemas ópticos de concentración se utilizan, principalmente en el ámbito de la energía solar fotovoltaica (photovoltaic, PV). El objetivo de estos sistemas es concentrar la luz incidente sobre los mismos en una zona de tamaño (área) mucho menor en la que se sitúa la célula fotovoltaica que convierte la luz incidente sobre la misma en una corriente eléctrica.
Las prestaciones de los sistemas ópticos de concentración se pueden evaluar definiendo dos parámetros geométricos principales: el factor de concentración (concentration ratio, CR) y la aceptancia angular (AA). El CR es el cociente entre el área de captación de la luz, es decir, el área del dispositivo sobre la que incide la luz que es transmitida por el mismo, y el área de focalización que produce el dispositivo. Como esta área es menor que la de captación, el CR es mayor que la unidad. Cuando los sistemas tienen un CR > 200x suelen definirse como "sistemas de alta concentración", aunque éste límite no está definido de manera unívoca en la literatura. Por otra parte, la AA define el semiángulo del cono de aceptación de luz del dispositivo que garantiza que la luz transmitida por el mismo incide sobre la célula (máximo ángulo respecto al eje del sistema que puede formar un rayo incidente para que incida sobre la célula). Por otra parte, la eficiencia óptica del sistema se define mediante la transmisividad del mismo, dependiente de las características de absorción y reflexión de la luz de los materiales con que se han fabricado los elementos ópticos.
El conjunto formado por el sistema óptico de concentración y la célula fotovoltaica (con su circuitería y conexiones) se denomina "elemento" y es la unidad fundamental productora de energía eléctrica. Habitualmente, un conjunto de elementos se montan sobre una superficie común, formando un "módulo", y un conjunto de módulos forma un "panel". El panel está situado sobre una estructura soporte móvil, controlada por un dispositivo de seguimiento solar (tracker) que, controlado por un ordenador o sistema de procesado, orienta el panel y, por tanto, a todos los módulos, apuntando en dirección al sol a lo largo de las horas de iluminación del día. [(Benítez P: Concentradores fotovoltaicos (I y II), en la Asignatura de Doctorado "Sistemas fotovoltaicos de concentración", IES, Universidad Politécnica de Madrid, 2006/07); (Benítez P: Introducción a la Óptica Anidólica, en la Asignatura de Doctorado "Sistemas fotovoltaicos de concentración", IES, Universidad Politécnica de Madrid, 2002/03)].
Los sistemas ópticos de concentración pueden clasificarse en los siguientes grupos:
También existen algunos sistemas basados en combinaciones de lentes y espejos que pueden considerarse en los grupos iv) y v) anteriores.
[Sala G: Sistemas Fotovoltaicos de Concentración, Asignatura de Doctorado, IES, Universidad Politécnica de Madrid, 2004].
Desde el punto de vista de su estructura de componentes ópticos, hay sistemas con un único elemento óptico (lente o espejo) o con dos componentes, denominados, respectivamente, elementos ópticos primario y secundario. En este caso, el primer elemento (lente o espejo) concentra la luz sobre el segundo, que la redirige, homogeneizando el haz, sobre la célula fotovoltaica. Este elemento secundario puede ser un componente TIR -en los sistemas más sofisticados- o una lente (o conjunto de espejos) en forma de pirámide invertida, con la célula en la zona cercana al vértice. En los sistemas basados en lentes tipo Fresnel, el elemento secundario se sitúa en la zona focal de la misma, por lo que la distancia entre ambos elementos (primario y secundario) es al menos del orden de la correspondiente distancia focal. Como ésta suele ser del orden de 20 cm a 30 cm, el módulo resultante tiene un tamaño (altura respecto al plano de la célula) considerable, de escasa compacidad. Este mismo inconveniente sucede en los sistemas que carecen de elemento secundario, en los que la célula se sitúa directamente en el plano focal imagen de la lente. [(Martinelli G: History and perspectives of PV concentrators: Ferrara University experience. Università di Ferrara, 2007; (Mohr A, Roth T, Glunz SW: BICON: High concentration PV using one-axis tracking and silicon concentrator cells. Prog. Photovolt.: Res. Appl., 14, 663-674, 2006); (Ryu K et al: Concept and design of modular Fresnel lenses for concentration solar PV system. Solar Energy, 80, 1580-1587, 20069)].
Cuando los elementos ópticos no son formadores de imagen, pero sí pueden utilizarse para transmitir luz se denominan "non-imaging optics" o elementos de "óptica anidólica". Habitualmente, los elementos de este tipo funcionan redirigiendo la luz en su interior mediante el fenómeno de reflexión total interna, aunque, a diferencia de las lentes TIR, no pueden utilizarse para formar imagen.
Por otra parte, tanto en los sistemas con un elemento óptico enfocado a la célula como en los sistemas con dos elementos ópticos resulta fundamental el perfecto alineamiento entre los elementos o entre la lente y la célula. Esto introduce notables dificultades en el mecanizado y montaje de los módulos, puesto que pequeñas diferencias angulares entre los ejes ópticos de ambos elementos producen que la luz concentrada no incida sobre la célula o que salga reflejada o refractada fuera de la misma por el segundo elemento. De esta manera, la AA de estos dispositivos es muy reducida (típicamente, AA < 1º).
Los sistemas basados en una lente TIR y un elemento secundario resultan notablemente más compactos que los basados en lentes Fresnel (denominándose "sistemas planos") pero, al estar separados ambos elementos, presentan el mismo inconveniente de la necesidad de una precisión muy alta en el alineamiento entre los dos elementos ópticos y, en consecuencia, una AA muy reducida.
Así, la necesidad de que el haz focalizado por el elemento primario converja sobre el secundario (físicamente separado una cierta distancia) requiere que el haz luminoso solar incida sobre la lente en la misma dirección definida por el eje lente-célula o lente-elemento secundario, de manera que resulta crítico -y de muy alto coste- la utilización de un sistema de seguimiento de muy alta resolución que mantenga perfectamente orientado el panel en todo momento. En este sentido, las deformaciones y flexiones del mismo debido a la estructura soporte, a la fuerza...
Reivindicaciones:
1. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables caracterizado porque consta de
- Una lente de reflexión total interna, pieza o etapa E1, con simetría de revolución en torno al eje óptico de la misma, cuyo perfil está definido por la intersección de una circunferencia o elipse que define la superficie de entrada de luz y una curva logarítmica generalizada que define su pared lateral, que recoge los rayos luminosos incidentes sobre la cara de entrada y los concentra, tras varias reflexiones totales internas en su pared lateral, en la base de la misma.
- Un conjunto colimador y concentrador de luz, pieza o etapa E2, compuesto por dos lentes esférica alojadas en un cilindro que se sitúa a la salida de la lente E1, coaxial con E1, que colima el haz emergente de E1, lo homogeneiza y lo concentra en un cono de salida de luz cuyo eje es el de E1 y E2 y cuyo vértice es el punto focal de la segunda esfera de E2
- Una tapa o cubierta de material de propiedades ópticas adecuadas que protege a las piezas E1 y E2 y, cuando se monta más de un módulo en una misma estructura impide la acumulación de suciedad en los espacios entre módulos y facilita su limpieza
- Una base y estructura de soporte de las piezas E1 y E2 y de la cubierta, sobre la que se monta, asimismo, un conjunto de disipadores de calor que limitan la temperatura que alcanza la célula o sensor sobre la que incide la luz concentrada.
2. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicación 1, caracterizado por ser un módulo compuesto por las piezas o etapas E1 y E2, su base y estructura soporte y, opcionalmente, una tapa o cubierta de cristal u otro material de propiedades ópticas adecuadas.
3. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por ser un módulo que, tanto en su fabricación y mecanizado como en instalación o implementación puede montarse individualmente o en combinaciones tipo matriz, mosaico, array, en paneles o soportes individuales o combinados.
4. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque concentra la luz incidente sobre la cara anterior o de entrada del mismo en una superficie mucho menor, de tamaño variable, en la que se sitúa la célula fotovoltaica o sensor sobre el que se desea hacer incidir la luz concentrada, de tal manera que la regulación del factor de concentración se alcanza modificando la distancia entre E2 y la célula o sensor sobre la que incide la luz.
5. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 4, caracterizado porque al realizarse la captación y entrada de la luz y una primera concentración relativamente baja en la pieza o etapa E1 y la homogeneización y una segunda concentración en la pieza o etapa E2, el factor de concentración total de la luz del dispositivo completo es variable en un rango muy amplio, desde baja concentración, en el orden de 5x o inferior, hasta muy alta concentración, superior a 2000x, dependiente de los parámetros geométricos de diseño de las partes E1 y E2 y de la distancia respecto a E2 a la que se sitúe la célula fotovoltaica o sensor sobre el que se desea hacer incidir la luz concentrada.
6. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 4, caracterizado porque la aceptancia angular es muy amplia, superior a 20º y variable, dependiente de los parámetros geométricos de diseño de las partes E1 y E2.
7. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque al realizarse la captación y entrada de la luz y una primera concentración relativamente baja en la pieza o etapa E1 y la homogeneización y una segunda concentración en la pieza o etapa E2, el tamaño, volumen y peso del sistema completo es pequeño, siendo muy compacto.
8. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque al estar solidariamente unidas las piezas o etapas E1 y E2, en un montaje coaxial con un cilindro de sujeción que contiene a las esferas, y al que puede, opcionalmente, unirse la plataforma de apoyo soporte de la célula o sensor sobre la que se desea hacer incidir la luz concentrada, el alineamiento de los componentes E1, E2 y célula o sensor en el eje óptico de simetría del sistema puede realizarse de manera simplificada y sin necesidad de requisitos elevados de precisión y tolerancias angulares de montaje.
9. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1, 3 y 4, caracterizado porque la forma de la lente de reflexión total interna puede modificarse para cambiar su tamaño manteniendo sus características de transmisión de luz por reflexión total interna a lo largo del eje longitudinal de simetría de la misma mediante la variación de los parámetros de las ecuaciones, circunferencia o elipse y logaritmo generalizado, que definen el perfil de la misma.
10. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1, 4 y 5, caracterizado porque la lente de reflexión total interna puede fabricarse de vidrio, cristal óptico o de plásticos tipo acrílicos, metacrilato, PMMA, mediante procedimientos de moldeado, tallado e inyección.
11. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la pieza colimadora y concentradora de luz, E2, está compuesta por dos lentes esféricas, cuyo diámetro puede seleccionarse para que la distancia focal posterior y, por tanto, el cono de salida de la luz tenga las dimensiones adaptadas al tamaño de la célula o sensor sobre el que se desea concentrar la luz.
12. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según la reivindicación 11, caracterizado porque la forma y material de realización de las lentes esféricas que forman E2 pueden elegirse de manera que la distancia focal posterior de las esferas sea muy reducida o nula y la célula o sensor sobre la que se desea hacer incidir la luz puede estar en contacto directo, pegada o apoyada o sujeta mediante otro procedimiento con la superficie posterior de la segunda esfera.
13. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según la reivindicación 12, caracterizado porque este posicionamiento de la célula sobre la que se desea hacer incidir la luz, superficie posterior de la segunda esfera de E2, no tiene que realizarse apoyando la lente sobre la célula, sino que la lente está sujeta por la estructura soporte del módulo y la célula puede ir adherida o sujeta en la citada posición por cualquier procedimiento, no teniendo lugar así, en ningún caso, el daño o deterioro de la célula por el peso de la lente ni de ningún otro elemento del sistema.
14. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 y 7, caracterizado porque la pieza E2 puede ser opcional y puede situarse la célula o sensor sobre la que se desea hacer incidir la luz captada por el dispositivo directamente en contacto con la superficie de salida de la lente E1.
15. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según la reivindicación 14, caracterizado porque este posicionamiento de la célula sobre la que se desea hacer incidir la luz en contacto directo con la superficie de salida de la luz de la lente E1 no tiene que realizarse apoyando la lente sobre la célula, sino que la lente está sujeta por la estructura soporte del módulo y la célula puede ir adherida o sujeta en la citada posición por cualquier procedimiento, no teniendo lugar así, en ningún caso, el daño o deterioro de la célula por el peso de la lente ni de ningún otro elemento del sistema.
16. Concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según la reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque los parámetros de diseño de la lente E1 o de las lentes esféricas de la pieza E2 o ambas, pueden modificarse para que la superficie de salida coincida con la superficie de la célula o sensor sobre la que se desea hacer incidir la luz concentrada, optimizándose así la iluminación para su rendimiento.
17. Utilización del concentrador óptico de alta ganancia y parámetros variables según el dispositivo descrito en las reivindicaciones 1 a 16, para la generación de energía eléctrica a partir de energía solar mediante sistemas fotovoltaicos de alta concentración.
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