Un sistema de captación y concentración de luz consta de un concentrador primario de luz,

una estructura de transmisión de luz y una estructura fotodirectora asociada ópticamente con el concentrador primario de luz. El sistema puede constar de un concentrador secundarlo de luz. Cada sistema-unidad consta de una serie de concentradores primarios de luz y una serie correspondiente de estructuras fotodirectoras, y una sólo una estructura simple de transmisión. Una célula fotovoltaica (PV) puede asociarse de modo ventajoso con cada sistema-unidad. Los concentradores primarios enfocan la radiación solar en las correspondientes estructuras fotodirectoras incorporadas en una estructura de transmisión de luz en forma de guía de onda de tipo laminar de baja relación de aspecto. Cada estructura fotodirectora intercepta la luz enfocada y la desvía transversalmente para que circule a lo largo de una estructura de transmisión por medio de reflexión interna total (TIR) hacia un extremo de salida de la estructura de transmisión de luz, por el que puede ingresar en una célula PV. El concentrador secundario opcional de luz puede concentrar más la luz que sale por la salida de la estructura de transmisión acoplada a la célula PV.

Sistema de captación y concentración de luz.

Antecedentes de la invención

Las realizaciones de la invención se relacionan generalmente con un sistema de captación y concentración de luz. Más concretamente, estas realizaciones están directamente relacionadas con un sistema de captación y concentración de radiación solar y los componentes de tal sistema; con métodos de captación, transporte y concentración de luz y las realizaciones del tal sistema y de sus componentes; y más concretamente con un sistema fotovoltaico de concentración de energía solar (concentrated photo-voltaic, CPV).

Desde el siglo XX hasta la fecha se han propuesto y creado numerosos sistemas de energía solar y componentes para materializar estos sistemas. Pese a ese esfuerzo del pasado y a los ingentes recursos dedicados a ello, los sistemas de energía solar existentes hoy en día no pueden competir en coste y rendimiento con las formas alternativas de generación de energía para uso comercial y residencial.

La figura 1 es una vista transversal que ilustra de modo esquemático un sistema fotovoltaico solar convencional genérico. La radiación solar 1 incide en un captador de luz 2, por ejemplo, una lente. La lente concentra (enfoca) la luz captada hacia un componente activo secundario 31 que puede transmitir la energía captada a una célula fotovoltaica (photovoltaic, PV) 8. Tal como muestra la figura 1, el sistema consta de una red lineal de tres unidades, cada una con una lente, un componente secundario y una célula PV.

Un objetivo muy conocido con respecto al diseño de los sistemas de captación solar es el de reducir las dimensiones de la unidad y aumentar su rendimiento. Es decir, los sistemas de energía solar podrían disfrutar de ventajas comerciales si fuesen relativamente delgados, compactos, de fácil instalación y acceso para su mantenimiento, y económicos.

Como se ve en la figura 1, hay una correspondencia biunívoca entre cada lente captadora y célula PV.

La figura 2 ilustra de modo análogo a la figura 1 un diseño más compacto del sistema. Se ha sustituido cada lente captadora 2 de la figura 1 por dos lentes captadoras de menor diámetro 2₁ y 2₂, que captan en conjunto el mismo flujo luminoso que la única lente mayor 2 de la figura 1. Aunque el sistema desplegado en la figura 2 es más delgado que el sistema de la figura 1, la reducción de tamaño se logra a costa del doble de componentes activos 31₁, 31₂ y células PV 8₁, 8₂. Análogamente, si el componente de la lente 2 se dividiese en cuatro lentes más pequeñas, la cantidad de componentes activos y células PV se cuadruplicaría y así sucesivamente. El aumento resultante en la cantidad de componentes incrementa tanto el coste del sistema como su posible tasa de fallos.

A la vista de estos y otros retos conocidos que presenta la tecnología de la energía solar, los inventores han reconocido las ventajas y beneficios que ofrecen los sistemas de energía solar y componentes que son más delgados, compactos, eficaces, fiables, económicos y, en general, mejores con respecto a los modelos actuales.

Resumen de la invención

Una realización de la invención se destina a crear un sistema de captación y concentración de luz. El sistema consta de un concentrador de luz primario, una estructura simple de transmisión de luz y otra estructura fotodirectora. El sistema podría beneficiarse de incorporar un concentrador secundario de luz. El sistema podría además incluir una célula PV asociada a cada sistema-unidad que conste de una serie de concentradores primarios de luz y su correspondiente serie de estructuras fotodirectoras, una estructura simple de transmisión de luz y, opcionalmente, un concentrador secundario de luz.

Ilustrativamente, la radiación solar se enfoca, con una incidencia normal, sobre la superficie amplia de una estructura de transmisión en forma de guía de onda de tipo laminar delgada. Una estructura fotodirectora intercepta la luz enfocada en la estructura de transmisión y la desvía transversalmente para que recorra la superficie plana de la estructura de transmisión. Puede colocarse un concentrador secundario de luz para centrar la luz en la guía de onda y aprovechar la salida de la luz del extremo de salida de la guía de onda conectándola a una célula PV.

En función de realizaciones alternativas y no limitantes, el concentrador primario de luz puede ser de una variedad de componentes conocidos que pueden captar la radiación solar incidente y concentrarla en una superficie más pequeña. Los componentes refractarios (p. ej., lentes), los componentes reflectantes (p. ej., espejos) y los componentes difractares (p. ej., hologramas) son ejemplos no limitativos de concentradores primarios de luz que se pueden usar. De acuerdo con varios aspectos no limitantes, un concentrador de luz primario simple puede adoptar la forma de una lente convencional de enfoque, una lente de Fresnel, una lente cilíndrica plana, una lente cilíndrica curva (p. ej., una anular o un segmento de arco de esta), un espejo parabólico (o segmento del mismo) y otras formas conocidas en el ámbito. Los sistemas-unidad pueden estar formados, entre otros elementos, por concentradores primarios de luz en forma de lentes espaciadas no solapadas (p. ej., cuadradas, hexagonales, triangulares y con otras disposiciones), una lámina concentradora de tipo lenticular, cilíndrica y recta, y una lámina concentradora de tipo lenticular, cilíndrica y anular (o segmento de arco de esta).

La estructura simple de transmisión de luz asociada al sistema-unidad tiene la forma de una guía de onda laminar delgada; es decir, con un espesor, T, mucho menor que la longitud general, L, de la estructura, con lo que tiene una baja relación de aspecto definida por el cociente T/L. La estructura estará limitada por las superficies superior (arriba) e inferior (abajo), que definen el limite entre un índice de refracción más alto dentro de la estructura y un índice de refracción más bajo fuera de la estructura, con el objeto de facilitar la propagación de la luz a lo largo del interior de la estructura por medio de reflexión interna total (total infernal reflection, TIR) según el estado actual de la cuestión. La estructura tendrá un extremo (en lo sucesivo, "extremo de salida") desde donde se propaga la luz fuera de la estructura de transmisión. De acuerdo con varios aspectos no limitantes, el interior de la estructura puede constar de materiales gaseosos, sólidos o líquidos adecuados para propagar la luz por medio de TIR, con o sin reflexión difusa o especular.

La estructura fotodirectora antes citada proporciona un medio por el cual la luz acumulada desde el concentrador primario de luz entra y/o se dirige en un determinado sentido de propagación por la estructura de transmisión de luz hacia el extremo de salida de la estructura de transmisión. De este modo, la estructura fotodirectora puede capturar adecuadamente el punto focal, por ejemplo, desde el concentrador primario de luz que en su mayoría incide normalmente en la superficie superior o inferior de la estructura de transmisión y la redirige, ilustrativamente, a 90 grados, para que se propague a lo largo de la estructura de transmisión hacia el extremo de salida. En un aspecto no limitante, la estructura directora de luz puede ser una superficie fotorreflectora cortada lateralmente en la superficie superior o inferior de la estructura de transmisión que refleja la luz de entrada por medio de TIR, reflexión especular, reflexión difusa, difracción, interferencia de haz múltiple y otros fenómenos ópticos conocidos para cambiar el sentido de un haz de luz en propagación. En cada estructura de transmisión simple, se asociarán múltiples estructuras fotodirectoras respectivamente con diversos concentradores primarios de luz de un sistema-unidad. Así, cada estructura fotodirectora puede ser una estructura finita o continua, dependiendo de la configuración y geometría de cada uno de los concentradores primarios de luz correspondientes. Según aspectos no limitantes, las superficies superior e inferior de la estructura de transmisión que contiene la estructura fotodirectora como partes integrales de su superficie podría tener una superficie superior o inferior plana, en forma de escalera o escalonada que puede ser plana o curva. Según realizaciones alternativas, las estructuras fotodirectoras pueden disponerse en... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de captación y concentración de luz que comprende:

un concentrador primario de luz dotado de poder de enfoque, dispuesto para interceptar una entrada de luz solar y concentrar dicha entrada en un lugar de concentración de luz;

una estructura de transmisión de luz que tiene una parte de la superficie superior y una superficie inferior frente a ella separadas por una región interior, y un extremo de salida, caracterizado por una dimensión longitudinal en una dirección de propagación de luz determinada hacia el extremo de salida, en la que la citada región inferior tiene un índice de refracción mayor que el índice de refracción inmediatamente adyacente a las superficies superior e inferior; y

una estructura fotodirectora dispuesta integralmente dentro la estructura de transmisión de luz (o sobre ella) en un sitio que coincide con el lugar de concentración de luz, que está acoplado ópticamente al concentrador primario de luz, en el que la estructura fotodirectora puede dirigir una entrada de luz solar concentrada desde el concentrador primario a lo largo de la dirección de propagación de luz hacia el extremo de salida.