Dispositivo para la concentración de luz, que comprende: - una lámina (1) que tiene dos caras principales (10,

11) y una hendidura (13) entre las dos caras principales (10, 11), existiendo un gradiente de índice de refracción entre las dos caras principales(10, 11), y - una red de difracción (2) que funciona en reflexión o en semi-reflexión, que coopera con una de las caras principales (11) de la lámina, la que tiene el índice de refracción más alto, formando la cara principal (10) que tiene el índice de refracción más bajo una cara anterior de entrada de la luz, estando dispuesta sobre la hendidura (13) al menos una zona de salida (12) de la luz.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo para la concentración de luz, plano y de grosor reducido. Un dispositivo de este tipo puede estar asociado a una célula fotovoltaica o se puede utilizar de manera independiente en el campo de la iluminación natural o artificial. La utilización de un dispositivo para la concentración de luz en un dispositivo fotovoltaico permite disminuir la superficie de la célula fotovoltaica para una misma superficie iluminada por el sol. Permite, por lo tanto, reducir el coste de la energía que se produce.

Estado de la técnica anterior

Los dispositivos para la concentración de luz convencionales, que no tienen función de transformación del espectro solar, utilizan lentes de Fresnel o espejos parabólicos.

En los dos casos, estos componentes ópticos se denominan primarios y cooperan con unos componentes ópticos secundarios también de tipo lente o espejo. Las distancias focales de estos dispositivos son grandes. Las dimensiones de estos dispositivos son importantes y no permiten obtener, cuando están asociados a una célula fotovoltaica, un conjunto con un grosor aceptable para una aplicación doméstica. En los dispositivos de espejo parabólico, se coloca la célula fotovoltaica en el foco del espejo parabólico, lo que hace difícil tanto la conexión eléctrica como la refrigeración de la célula. El artículo “Flat high concentration devices”, Minano, J. C. y otros, 24th Conference Photovoltaic Energy Conversion, Dic. 5-9, 1994, Hawaii, páginas 1.123 a 1.126, describe un dispositivo para la concentración de luz con espejo parabólico de este tipo.

Otros dispositivos para la concentración de luz son integrados y mixtos. Estos utilizan diópteros, se trata de bloques de material transparente que pueden hacer la función alternativamente de espejo o de lente. Las superficies más próximas al eje óptico se comportan como lentes, las superficies periféricas se comportan como espejos, produciendo una reflexión interna de la luz. Estos dispositivos mixtos con refracción y reflexión internas tienen una distancia focal más corta en relación con su tamaño. La célula solar que coopera con un dispositivo de este tipo se coloca por debajo del dispositivo de concentración. La conexión eléctrica y la refrigeración no se ven obstaculizados. El dispositivo de concentración se realiza, por lo general, mediante moldeo por inyección. Comprende grandes variaciones de grosor según las zonas y unas aristas con unos ángulos agudos que no son especialmente fáciles de realizar.

Por otra parte, la iluminación que recibe la célula fotovoltaica no es uniforme y esto supone un perjuicio para el rendimiento de esta última y para su tiempo de vida útil. Este tipo de dispositivos de concentración integrados presentan unas dimensiones menores, pero esto se consigue a expensas de una mayor complejidad de las superficies ópticas. El grosor del dispositivo completo sigue siendo, no obstante, de varios centímetros. El artículo “New developments on the flate-plate micro-concentrator module”, Terao, A. y otros, 3rd World Conference on Photovoltac Energy Conversion, Mayo 11-18, 2003, Osaka, Japón, páginas, 861-864, describe un dispositivo integrado para la concentración de luz de este tipo.

Además, este tipo de dispositivos para la concentración de luz tienen un ángulo de aceptación muy pequeño, limitado a alrededor de 1 a 3º. Se recuerda que el ángulo de aceptación corresponde al valor límite del ángulo de incidencia de los rayos de luz útiles sobre la cara anterior del dispositivo de concentración de luz. Un seguimiento mecánico del sol se debe prever en la aplicación con una célula fotovoltaica para captar el máximo de energía.

Cuanto más pequeño es el ángulo de aceptación, mayor debe ser la precisión del dispositivo mecánico y más caro es este dispositivo.

En estos dispositivos, la cara anterior de los componentes ópticos debe estar protegida y esta protección es difícil, e incluso imposible, de llevar a la práctica.

En el caso de tener que montar múltiples componentes ópticos en red, se requiere la alineación precisa de los componentes y que la red conste de una superficie compleja de entrada.

Su integración en paneles solares muy grandes es difícil y parece que estos dispositivos se adaptan mejor a un uso en la producción centralizada de energía, en granjas solares, en las que se acoplan múltiples paneles solares de tamaño medio.

También se observa que estos dispositivos para la concentración de luz presentan resultados mediocres con iluminación difusa, en particular cuando el cielo está nublad, y no se pueden emplear de forma eficaz más que en zonas muy soleadas.

El documento US 5877874 da a conocer un dispositivo para la concentración de luz que comprende una lámina que presenta dos caras principales y un corte entre las dos caras principales, y una red de difracción que funciona en reflexión que coopera con una de las caras principales de la lámina, estando dispuesta sobre el corte una zona de salida de la luz.

Las ventajas del dispositivo del documento US 5877874 se basan en la multiplexación espacial de la red de difracción.

Exposición de la invención

La presente invención tiene precisamente como objetivo proponer un dispositivo para la concentración de luz que no presente los inconvenientes que se han mencionado en párrafos anteriores.

Un objetivo de la invención es proponer un dispositivo para la concentración de luz con un grosor reducido, por lo general inferior al centímetro. En particular, un dispositivo para la concentración de luz de este tipo tiene un grosor prácticamente igual a la anchura de la célula fotovoltaica con la que puede cooperar, una célula solar convencional tiene un grosor comprendido entre alrededor de 100 y 700 micrómetros.

Otro objetivo de la invención es proponer un dispositivo para la concentración de luz que sea sencillo de fabricar y, por lo tanto, económico.

Otro objetivo más de la invención es proponer un dispositivo para la concentración de luz que posea un gran ángulo de aceptación de tal manera que pueda funcionar sin un seguimiento mecánico del sol.

Un objetivo complementario de la invención es proponer un dispositivo para la concentración de luz que tenga unos resultados aceptables, incluso con iluminación difusa.

Para alcanzar estos objetivos, el dispositivo para la concentración de luz de la invención comprende al menos una lámina con gradiente de índice que coopera con una red de difracción.

De forma más precisa, la presente invención es un dispositivo para la concentración de luz que comprende una lámina que tiene dos caras principales y un corte entre las dos caras principales, existiendo un gradiente de índice de refracción entre las dos caras principales, y una red de difracción que funciona en reflexión o en semi-reflexión que coopera con una de las caras principales de la lámina, la que tiene el índice de refracción más alto, formando la cara principal que tiene el índice de refracción más bajo una cara anterior de entrada de la luz, estando dispuesta sobre el corte al menos una zona de salida de la luz.

Otros aspectos de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se entenderá mejor con la lectura de la descripción de ejemplos de realización que se dan, a título puramente indicativo y en absoluto limitativo, haciendo referencia a los dibujos que se anexan en los que:

las figuras 1A, 1B muestran, en sección, un primer ejemplo de un dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con la invención;

la figura 2 muestra un ejemplo de dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con la invención en el que la red de difracción está formada por varias sub-redes de difracción;

las figuras 3A, 3B muestran unos dispositivos fotovoltaicos de acuerdo con la invención que incorporan un dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con la invención;

las figuras 4A, 4B, 4C, 4D muestran además otros ejemplos de dispositivo para la concentración de luz de la invención;

las figuras 5A, 5B muestran unos ejemplos de dispositivo para la concentración de luz con doble gradiente de índice de acuerdo con la invención;

la figura... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la concentración de luz, que comprende:

- una lámina (1) que tiene dos caras principales (10, 11) y una hendidura (13) entre las dos caras principales (10, 11), existiendo un gradiente de índice de refracción entre las dos caras principales(10, 11), y

- una red de difracción (2) que funciona en reflexión o en semi-reflexión, que coopera con una de las caras principales (11) de la lámina, la que tiene el índice de refracción más alto, formando la cara principal (10) que tiene el índice de refracción más bajo una cara anterior de entrada de la luz, estando dispuesta sobre la hendidura (13) al menos una zona de salida (12) de la luz.

2. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con la reivindicación 1, en el que, cuando la red de difracción comprende motivos unidimensionales, éstos son trazos sensiblemente paralelos.

3. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con la reivindicación 1, en el que, cuando la red de difracción comprende motivos bidimensionales (40), éstos son pivotes de forma cilíndrica o cónica.

4. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la red de difracción comprende varias subredes de difracción que tienen unos motivos que presentan orientaciones diferentes.

5. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la hendidura (13) está formada por varias caras laterales, ocupando la zona de salida (12) toda la cara lateral o únicamente una porción.

6. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la red de difracción (2) comprende unos motivos (4) que tienen un índice de refracción sensiblemente constante, superior o igual al índice de refracción más alto de la lámina (1).

7. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la red de difracción (2) comprende unos motivos (4) con gradiente de índice de refracción entre una cara principal (20) que coopera con la lámina (1) y otra cara principal (25) opuesta a la que coopera con la lámina (1).

8. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que una cara posterior (25) del dispositivo para la concentración de luz es una cara de la red de difracción (2) situada frente a la cara que tiene el índice de refracción más bajo de la lámina (1), estando provista esta cara posterior (25) de un revestimiento reflectante o semi-reflectante posterior (26).

9. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que otra lámina

(6) con gradiente de índice, que tiene dos caras principales y una hendidura, y la lámina de gradiente de índice (1) forman un sándwich en el que se encuentra la red de difracción (2), estando la red de difracción en el lado de la cara principal que presenta un índice de refracción más alto que la otra lámina, estando provista la hendidura de la otra lámina de al menos una zona (12') de salida de luz.

10. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que posee una cara posterior (25) frente a la cara principal que tiene el índice de refracción más bajo de la lámina (1) o de una de las láminas (1, 6), en el que la cara posterior (25) está provista de un revestimiento teñido posterior (28) destinado a teñir el dispositivo para la concentración de luz.

11. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la cara principal (10) que tiene el índice de refracción más bajo de la lámina (1) o de al menos una de las láminas (1, 6) está provista de un revestimiento anti-reflectante (32), pudiendo también la cara principal (11) que tiene el índice de refracción más alto de la lámina (1) o de al menos una de las láminas (1, 6) estar provista de un revestimiento antireflectante (32).

12. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la hendidura (13) de la lámina (1) o de al menos una de las láminas (1, 6) está provista de un revestimiento reflectante lateral (29), con la excepción de la zona de salida (12) si es opaco.

13. Dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la red de difracción (2) y la lámina (1) o las láminas (1, 6) son flexibles.

14. Dispositivo fotovoltaico que comprende un dispositivo para la concentración de luz de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13 y una célula fotovoltaica (3) montada sobre cada zona de salida (12).