Concentrador de radiación hiperbólico parabólico, que comprende una superficie que está generada a partir de un perfil geométrico en dos dimensiones,

obtenido de las líneas de flujo, o parte de las mismas, producidas por una fuente de luz Lambertiana que tiene forma de cuña infinita seccionada en su vértice y que no pasen por los vértices de la cuña.

El componente de la invención es especialmente aplicable como concentrador de radiaciones solares.

Concentrador de radiación hiperbólico parabólico.

Campo de la invención

La invención se encuadra dentro del sector técnico de la óptica, concretamente como componente óptico concentrador, colimador, acoplador, reflector o en general manipulador de haces o fuentes de energía radiante no formadores de imagen.

Antecedentes de la invención

La concentración óptica es un campo de interés creciente dentro de la óptica, usualmente de aplicación en dispositivos de energía solar para incrementar la densidad de energía radiante en un detector aumentando la capacidad energética del dispositivo.

La óptica no formadora de imagen (anidolica) estudia el diseño de estos concentradores. Típicamente pueden funcionar de dos formas diferenciadas, concentrar energía de una fuente distante (como puede ser el sol) en un detector o bien puede colimar radiación de una fuente "extensa" que se encuentre próxima al sistema. La ventaja de la óptica no formadora de imagen es la libertad de diseño que se obtiene al no ser importante la conjugación de puntos necesaria en los sistemas tradicionales formadores de imagen.

Un ejemplo típico de sistemas no formadores de imagen son los utilizados en la conversión de energía solar en energía eléctrica, este tipo de sistemas están descritos en múltiples patentes, la US3923381A1 de 1975 describe un concentrador solar característico el CPC (Concentrador Parabólico Compuesto). El CPC de extrusión (2D) recoge toda la radiación incidente comprendida en un ángulo de diseño pmθ y la concentra en la apertura de salida opuesta a la apertura de entrada. Las secciones de los reflectores parabólicos, que conforman el CPC, están situadas de modo que sus ejes están girados respecto al eje de revolución/extrusión. De modo que el foco de cada una de las parábolas se ubica en el extremo opuesto de la apertura de salida. Este concentrador puede funcionar en aire, de modo que sus paredes sean reflexivas o construido sobre un material dieléctrico funcionando por reflexión total interna.

El CPC en 3D fue descrito por H. Hintenberger y R. Winston "Efficient light coupler for threshold Cerenkov counters" Rev. Sci. Instrum., 30, 1094-1095, 1966, proporcionando un buen ratio de concentración, pero sin alcanzar el limite termodinámico. Posteriormente estos sistemas han sido estudiados, incluyendo el método de las líneas de flujo, [R. Winston, W.T. Welford "Geometrical vector flux and some new nonimaging concentrators", Journal of the Optical Society of America 69, 532-536, 1979], patente GB 2031179A, y mejorados por [R. Winston, J.C. Miñano, P. Benítez, "Non-imaging optics", Elsevier Academic Press, 2005] obteniendo rendimientos superiores al CPC 3D. El método de las líneas de flujo propone la construcción de concentradores ideales ubicando espejos perfectos en las líneas de flujo. Una aplicación clásica de este método consiste en evaluar las líneas de flujo que se producen en una cuña infinita seccionada en 2D [R. Winston, W.T. Welford "Ideal flux concentrators as shapes that do not disturb the geometral vector flux field: A new derivation of the compound parabolic concentrador", Journal of the Optical Society of America 69, 536-539, 1979]. Por otro lado, existen diversos dispositivos derivados del CPC como el CEC (Compound Elliptical Concentrator) [R. Winston. U.S. Letters Patent 3923-381. Radiant Energy Concentration. 1976], [R. Winston. U.S. Letters Patent 3957-031. Light collectors in Cylindrical Geometry. 1976], [R. Winston: U.S. Letters Patent 4002-499. Cylindrical Concentrators for Solar Energy. 1977]. Asimismo hay varios sistemas concentradores que tienen superficies tanto refractivas como reflexivas como el XR, RX, XX, RXI, lentes fresnel descritos en las referencias anteriores y en distintas, patentes como la United States Patent 6639733.

Otro tipo de sistemas son los conversores de energía solar en calor para generar ACS (agua caliente sanitaria), este tipo de sistemas emplea normalmente un sistema CPC de extrusión, tienen una eficiencia muy elevada debido a que utilizan gran parte del el espectro infrarrojo debido a la absortancia de los materiales empleados.

Descripción de la invención

La presente invención tiene por objeto un componente óptico para manipulación de radiaciones,, principalmente diseñado como concentrador de radiación solar por reflexión, mejora claramente los ratios de concentración de los dispositivos conocidos, aunque puede, emplearse también en modo inverso, como colimador o acoplador óptico, y como componente refractivo en lugar de reflexivo tanto para concentración como para colimación de radiación.

El componente óptico de la invención comprende una superficie que está generada a partir de un perfil geométrico, en dos dimensiones, que está obtenido de las líneas de flujo, o parte de las mismas, producidas por una cuña infinita seccionada y que no pasan por los vértices de la cuña, entendiendo las líneas de flujo como las líneas del campo vectorial luminoso producido por una fuente de luz Lambertiana. Entendiendo a su vez las líneas del campo vectorial luminoso como líneas continuas, que cumplen la condición de ser tangentes al vector de campo luminoso en todos los puntos del espacio.

El perfil citado está formado por una hipérbola truncada unida a una parábola girada o por partes del mismo, como puede ser una hipérbola truncada adecuadamente. El punto de unión de las dos cónicas, hipérbola y parábola, coincide con el punto de truncadura del perfil en el caso de hipérbola truncada, este punto de unión/truncadura se obtiene a partir de tres condiciones.

- El punto de unión/truncadura es el punto de corte entre la rama de la hipérbola más cercana al foco F y una recta que pasando por el foco F de la hipérbola, forma un ángulo θ con el eje de la hipérbola.

- Coincidencia en el foco, de ambas curvas F'=F_p donde F_p es el foco de la parábola, F y F' son los focos de la hipérbola.

- El eje de la parábola, que pasa por su foco F'=F_p, forma un ángulo θ con el eje de la hipérbola, para el perfil hipérbola más parábola.

El componente óptico se puede generar por revolución de este perfil respecto al eje de la hipérbola, obteniendo un concentrador 3D, por extrusión del mismo perfil, obteniendo un concentrador 2D, o bien por simetría elíptica cilíndrica, obteniendo un concentrador elíptico. En este último supuesto es de interés el caso de la hipérbola truncada con el que se obtiene por simetría elíptica un hiperboloide de una hoja truncado.

Los parámetros que definen el componente óptico de la invención son:

f: distancia focal de la hipérbola, distancia entre el eje de la hipérbola y el foco F.

θ: ángulo de diseño.

a': radio de la apertura de salida.

Estos tres parámetros de diseño son validos para todos los tipos del componente óptico, si bien en el caso de construcción del concentrador por simetría elíptica será necesario definir la excentricidad e de la elipse para definir completamente el concentrador.

El punto de unión/truncadura entre ambas cónicas x_p se puede obtener de la ecuación

La longitud del concentrador hiperbólico parabólico es la longitud del perfil empleado en su construcción, el concentrador con longitud igual a x_p corresponde al caso del perfil hiperbólico truncado o para el caso de unión entre un perfil hiperbólico truncado y un perfil parabólico girado la longitud del perfil es la comprendida entre los dos puntos cuya pendiente es 0. En este último caso la distancia focal de la parábola f_p es

El funcionamiento en modo directo concentrador, es el siguiente:

Para la construcción en base al perfil de hipérbola más parábola, la radiación que incide en el área de entrada y que llegan a la superficie de la parábola con un ángulo igual a θ son reflejados directamente hacia el, foco F_p=F', por funcionamiento de la parábola, o bien a un punto entre los focos F-F' en caso de ángulo de incidencia menor a θ. En una segunda reflexión este rayo puede dar en la hipérbola,...

1. Concentrador de radiación hiperbólico parabólico, caracterizado porque comprende una superficie generada a partir de un perfil geométrico, en dos dimensiones, obtenido de las líneas de flujo, o partes de las mismas, producidas por una fuente de luz Lambertiana que tiene forma de cuña infinita seccionada en su vértice en 2D, y que no pasen por los vértices de la cuña, estas líneas de flujo se forman por la unión continúa de una hipérbola y una parábola.

2. Concentrador de radiación, según la reivindicación 1, caracterizado porque los focos de las cónicas que forman la línea de flujo y el perfil, hipérbola y parábola, tienen coincidencia en posición.

3. Concentrador de radiación según la reivindicación 1, caracterizado porque la unión de ambas curvas cónicas es el punto de corte entre la rama mas próxima al foco F de la hipérbola y una recta que pasa por el foco F y forma un ángulo θ con el eje de la hipérbola

4. Concentrador de radiación, según la reivindicación 1, caracterizado porque el eje de la parábola, que pasa por el foco F'=F_p, siendo F' uno de los focos de la hipérbola, forma un ángulo θ con el eje de la hipérbola.

5. Concentrador de radiación según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por configurarse con tres parámetros principales, f: distancia focal de la hipérbola, θ: ángulo de diseño y a': radio de la apertura de salida.

6. Concentrador de radiación según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la distancia focal del sistema cumple la relación f>a'.

7. Concentrador de radiación según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la superficie citada se genera, por revolución del perfil alrededor del eje de la hipérbola, definiendo un concentrador 3D.

8. Concentrador de radiación según las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque la superficie citada se genera por extrusión del perfil, definiendo un concentrador 2D.

9. Concentrador de radiación según las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque la superficie citada se genera por simetría elíptica cilíndrica, definiendo un concentrador elíptico.