La presente invención describe un sistema para convertir energía de radiación incidente en energía eléctrica.

Una cavidad, cuya pared está revestida de una mezcla de dispositivos de conversión de fotones y revestimientos especularmente reflectante, es irradiada por energía de radiación concentrada. La forma de dicha cavidad está adaptada a la distribución de irradiación, de modo que se logra un flujo de radiación superficial generalmente uniforme para conversión óptima en electricidad mediante una pluralidad de dispositivos de conversión de fotones; siendo el resto absorbido y eliminado como calor en un fluido refrigerante. Los revestimientos reflectantes especulares propagan la radiación dispersa más al interior de dicha cavidad para conversión final en electricidad. Una unidad integradora combina y maximiza la potencia de salida procedente de dispositivos de conversión de fotones individuales en una única alimentación de salida

Convertidor de flujo de radiación adaptado.

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere en general al campo de la conversión de energía, y más particularmente a sistemas que convierten energía de radiación concentrada en energía eléctrica.

Antecedentes de la invención

Los dispositivos de conversión de fotones se usan comúnmente para convertir energía de radiación incidente directamente en electricidad para aplicaciones terrestres y espaciales alimentadas por energía eléctrica. La búsqueda de la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, asociada en parte con la generación de electricidad, requiere que se aumente significativamente la eficiencia de los sistemas de dispositivos de conversión de fotones para competir económicamente con las tecnologías convencionales de generación de electricidad basadas en combustibles fósiles.

La energía de la luz visible terrestre es esencialmente radiación electromagnética emitida desde un cuerpo negro a una temperatura de 5800 K. El espectro de longitudes de onda de dicha energía de radiación incidente del cuerpo negro está comprendido entre el ultravioleta a 300 nm y el infrarrojo lejano a 3 μm, con la intensidad de radiación máxima a longitudes de onda visibles de 500-600 nm. De acuerdo con la práctica de la teoría de la mecánica cuántica, la energía de radiación está constituida por fotones, teniendo cada fotón energía inversamente proporcional a su longitud de onda, haciendo a los fotones "azules" más energéticos que los fotones "rojos".

El dispositivo de conversión de fotones puede fabricarse de diferentes materiales semiconductores. Cada material semiconductor tiene un salto de energía entre bandas que convierte en electricidad únicamente la energía de los fotones incidentes con niveles de energía superiores al salto de energía entre bandas de dicho material semiconductor. La energía de los fotones con niveles de energía diferentes del salto de energía entre bandas del dispositivo de conversión de fotones es convertida en calor o dispersada. Típicamente, Los intervalos entre bandas de los materiales semiconductores son estrechos con una longitud de onda de eficiencia máxima definida. Ningún material semiconductor comercial abarca eficientemente todo el espectro de radiación que se origina desde una radiación del cuerpo negro a 5800 K. A partir de lo anteriormente mencionado, resulta obvio que un dispositivo de conversión de fotones de banda única tendrá una baja eficiencia de conversión de radiación a electricidad.

La presente técnica logra el objetivo de convertir una cantidad máxima de energía de radiación incidente en electricidad apilando dispositivos de conversión de fotones con diferentes niveles de banda, ya sea monolítica o mecánicamente. Un dispositivo de conversión de fotones monolítico de uniones múltiples tiene una eficiencia de conversión medida que excede del 25% a irradiación terrestre normal. La Patente US 6.281.426, que se incorpora en este documento como referencia, describe la estructura de posibles dispositivos monolíticos de uniones múltiples.

Sin embargo, de acuerdo con la teoría eléctrica clásica, la energía eléctrica útil producida por un dispositivo de conversión de fotones es el producto del voltaje y la corriente generados, que es una función tanto de la intensidad de radiación como del salto de energía entre bandas. Las configuraciones de dispositivos de conversión de fotones apilados obedecen las leyes de la electricidad, y son, por lo tanto, de corriente o voltaje limitados; requiriendo igualación muy cuidadosa de las propiedades cuánticas de las diferentes capas. Sin embargo, la igualación perfecta es muy difícil de lograr, particularmente para células que tienen tres o más uniones eléctricas internas, resultando en pérdidas de conversión inherentes. Además, en un dispositivo de conversión de fotones monolítico de uniones múltiples las diferentes capas no son enteramente transparentes a los fotones no absorbidos, y se inducen más pérdidas en el sistema. Las células apiladas mecánicamente pueden salvar algunos de los inconvenientes de las células monolíticas, pero aún adolecen de pérdidas inducidas por el desajuste de las propiedades eléctricas de los dispositivos de conversión de fotones individuales.

Además, la eficiencia de un dispositivo de conversión de fotones es aproximadamente proporcional al logaritmo de la intensidad de radiación hasta un cierto nivel de flujo de radiación donde las pérdidas resistivas internas exceden de la ganancia debida al flujo fotónico incrementado. La presente técnica ha demostrado que incrementar la concentración de radiación por un factor de 500 puede aumentar la eficiencia de conversión medida en laboratorio de un dispositivo de conversión de fotones de uniones múltiples del 25% a más del 35%. Sin embargo, el uso de energía de radiación concentrada requiere unos medios para generar irradiación uniforme del dispositivo de conversión de fotones iluminado, o la matriz de dispositivos de conversión de fotones conectados, si no el dispositivo de conversión de fotones irradiado más débilmente puede limitar la potencia de salida de todo el circuito, haciendo que resulte ineficaz el concepto de ganancias de conversión debidas a concentración de radiación. Se dispone de diversos medios ópticos para generar una radiación uniforme. Desafortunadamente, dichos medios introducen frecuentemente pérdidas ópticas secundarias significativas que pueden exceder las ganancias de eficiencia de conversión pretendidas.

Además, el requisito de evacuar la corriente generada de un dispositivo de conversión de fotones dicta que aproximadamente el 20-40% del área de cobertura iluminada del dispositivo esté dedicada a conducción eléctrica, típicamente de uno a cuatro de los cantos circunferenciales del dispositivo. Por lo tanto, una matriz plana de una multitud de dispositivos de conversión de fotones conectados adolecerá de una eficiencia de área muy baja, ya que el flujo de radiación incidente que incide en el área de contacto eléctrico activa no fotónica se pierde, siendo reflejado o convertido en calor.

Explicación de la invención

Por consiguiente, un objeto general de la presente invención es proveer un sistema de dispositivo de conversión de fotones más eficiente y económico que los disponibles hasta ahora.

Un objeto específico de la presente invención es proveer un sistema de dispositivos de conversión de fotones de amplio espectro, volumétricos adaptados que convierta en electricidad una cantidad máxima de energía de radiación concentrada incidente que al mismo tiempo minimice simultáneamente las pérdidas por radiación reflejada.

Según algunas realizaciones de la invención, el sistema para convertir radiación incidente en electricidad puede comprender un concentrador que tiene al menos una superficie reflectante curvada.

Según algunas realizaciones de la invención, el concentrador puede ser como el descrito en la patente número US7156531 de Bertocchi Rudi que describe un concentrador parabólico, y se incorpora en este documento como referencia a la exposición de esta solicitud.

Un objeto más específico de la presente invención es almacenar el exceso de energía, que no ha sido convertida en electricidad, como calor en un fluido refrigerante circulante.

Un objeto aún más específico de la presente invención es usar la energía latente almacenada en el fluido refrigerante circulante como calor en aplicaciones auxiliares como desalinización de agua, generación termoeléctrica de electricidad, agua caliente para uso personal/industrial, calentamiento espacial, calor en procesos generales, etc. Otros objetos y ventajas resultarán evidentes inmediatamente en virtud de la descripción ofrecida en lo sucesivo, y resultarán evidentes en parte para los expertos en la materia tras el examen de lo siguiente o pueden aprenderse por la práctica de la invención. Los objetos y ventajas pueden realizarse y alcanzarse por medio de las funcionalidades y en las combinaciones señaladas particularmente en las reivindicaciones adjuntas.

La presente invención provee así, en un primer aspecto, un sistema de dispositivos de conversión de fotones volumétricos adaptados de flujo que comprende:

- un concentrador de flujo de radiación, de formación de imágenes o no de formación de imágenes, que provee continuamente energía de radiación altamente concentrada.

- una estructura de soporte...

1. Sistema de dispositivo de conversión de fotones volumétrico de flujo adaptado para convertir energía de radiación incidente concentrada en electricidad, que se caracteriza por comprender:

- un cuerpo de revolución tridimensional con ventana, hueco, que comprende una cavidad de una forma generalmente optimizada;

- una pluralidad de dispositivos de conversión de fotones que revisten dicha cavidad para el propósito de convertir energía de radiación incidente en electricidad;

- una matriz de material especularmente reflectante que reviste las zonas inactivas fotónicas de dicha cavidad para el propósito de reflejar energía de radiación sobre zonas activas fotónicas;

- un concentrador de radiación capaz de transportar continuamente energía de radiación concentrada recogida sobre la ventana de acceso del cuerpo de revolución tridimensional;

- una unidad para combinar óptimamente una pluralidad de alimentaciones de corriente introducidas en una sola alimentación de corriente de salida de potencia maximizada.

2. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la cavidad volumétrica de flujo adaptada comprende al menos una abertura de acceso con el área de la sección transversal aproximadamente más grande de la cavidad volumétrica de flujo adaptada, con el diámetro de dicha abertura de acceso optimizado para minimizar las pérdidas de energía por radiación reflejada e interceptar una fracción máxima de la energía de radiación concentrada que incide sobre la abertura de acceso.

3. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la superficie limitadora de la cavidad de flujo adaptada está definida por al menos una curva geométrica que gira a lo largo de la pieza 2φ radianes en relación con al menos un eje de guía, generando una superficie de revolución generalmente convergente axialmente con una relación de esbeltez, referida al diámetro de la abertura de acceso, que excede de la unidad.

4. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la pendiente de la superficie de revolución está adaptada específicamente a la distribución de flujo de irradiación que genera, dentro de bandas meridianas axiales, un flujo de radiación superficial uniforme en dicha cavidad.

5. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque las zonas especularmente reflectantes de la cavidad están optimizadas para simultáneamente reflejar y concentrar la radiación reflejada hacia áreas activas fotónicas de la cavidad para conversión final en electricidad.

6. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque los dispositivos de conversión de fotones están unidos a la superficie de la cavidad, siendo dicha unión térmicamente conductora o tanto térmica como eléctricamente conductora.

7. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 6, que se caracteriza porque las áreas activas fotónicas de los dispositivos de conversión de fotones son capaces específicamente de convertir continuamente energía de radiación en electricidad mientras se irradian, comprendiendo dichos dispositivos de conversión de fotones al menos un salto de energía entre bandas, total o parcialmente igualado al espectro de la irradiación.

8. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 6, que se caracteriza porque las áreas inactivas fotónicas de los dispositivos de conversión de fotones están revestidas de un recubrimiento, siendo dicho recubrimiento especularmente reflectante dentro del espectro completo de la radiación incidente.

9. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 6, que se caracteriza porque el área activa fotónica del dispositivo de conversión de fotones tiene ventanas de una sustancia que tiene un recubrimiento óptico alternativo selectivo/transmisivo y selectivo/reflectante, que admite únicamente la fracción del espectro de radiación incidente que iguala dicho salto de la banda de energía del dispositivo.

10. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 4, que se caracteriza porque al menos una de las bandas axiales irradiadas uniformemente de la cavidad de flujo adaptada está revestida con una pluralidad de dispositivos de conversión de fotones, dicha banda irradiada uniformemente puede contener una mezcla de dispositivos de conversión de fotones de bandas diferentes, cada uno con una respuesta espectral separada al espectro de irradiación.

11. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque los dispositivos de conversión de fotones están interconectados eléctricamente en un esquema de conexión eléctrica optimizada para pérdidas mínimas de energía eléctrica.

12. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque comprende un dispositivo concentrador de radiación auxiliar no de formación de imágenes; la abertura de salida de dicho dispositivo coincide aproximadamente con la abertura de acceso de la cavidad de flujo adaptada.

13. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque el cuerpo de revolución hueco comprende medios para hacer circular al menos una sustancia fluida refrigerante con el propósito de absorber y eliminar una fracción sustancial de la energía de radiación convertida en calor hacia un sistema auxiliar de conversión de energía.

14. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 13, que se caracteriza porque el sistema auxiliar de conversión de energía puede comprender un intercambiador de calor, dispositivo termoeléctrico, un dispositivo termoquímico, un dispositivo de generación de vapor, un dispositivo de desalinización de agua, un dispositivo para energizar un motor térmico termodinámico, un dispositivo para calentamiento espacial, un dispositivo para refrigeración, un dispositivo para suministrar agua caliente, un dispositivo para generar calor de proceso industrial o un dispositivo para transportar la energía calorífica latente a una ubicación remota para utilización posterior.

15. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 1, que se caracteriza porque los dispositivos de conversión de fotones están conectados óptimamente a una unidad de combinación e integración de voltaje externa (VCIU) que está constituida en parte por una pluralidad de dispositivos conmutadores internos, en la que dicha VCIU permite integrar óptimamente las alimentaciones de energía eléctrica introducidas por separado en una sola alimentación de salida con un nivel de energía eléctrica maximizado específicamente que conduce aproximadamente la suma total de la energía eléctrica transportada por cada cable de entrada individual.

16. Sistema de dispositivo de conversión según la reivindicación 15, que se caracteriza porque una unidad de procesamiento local mide continuamente el voltaje y corriente eléctricos transportados por los cables eléctricos introducidos en la VCIU y determina el esquema óptimo de conmutación y conexión para generar continuamente una salida de energía eléctrica máxima por medio de un algoritmo de optimización, donde la unidad de procesamiento puede ser controlada a distancia por una red local o global cableada o inalámbrica.