SISTEMA REFLEXIVO DE CONCENTRACION SOLAR FOTOVOLTAICA.

Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, que está formado por un espejo reflector primario (1) que cambia la dirección de los haces de luz entrantes en el sistema y los redirige hacia un espejo reflector secundario (2),

que vuelve a cambiar la dirección de los haces de luz recibidos y los redirecciona hacia un elemento óptico terciario (3), que a su vez transmite los haces de luz recibidos a un receptor fotovoltaico. El elemento óptico terciario (3) tiene una cara de entrada (4) curvo-convexa de sección circular, y una sección tronco-piramidal (5) que transmite por reflexión total interna los haces de luz recibidos a un receptor fotovoltaico. El extremo inicial (6) de la sección tronco-piramidal (5) tiene, inmediatamente a continuación de la cara de entrada (4), una sección transversal circular (6) que se transforma progresivamente en una sección transversal cuadrada hasta alcanzar el extremo final (7) de la sección tronco-piramidal (5).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031430.

Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: CAPARROS JIMENEZ,Sebastián.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F24J2/10 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F24 CALEFACCION; HORNILLAS; VENTILACION.F24J PRODUCCION O UTILIZACION DEL CALOR NO PREVISTOS EN OTROS LUGARES (sustancias a este efecto C09K 5/00; motores u otros mecanismos para producir una potencia mecánica a partir del calor, véanse las clases apropiadas, p. ej. F03G para utilización del calor natural). › F24J 2/00 Utilización del calor solar, p. ej. colectores de calor solar (destilación o evaporación del agua utilizando calor solar C02F 1/14; aspectos de la cubierta del tejado relativos a los dispositivos colectores de energía E04D 13/18; dispositivos que producen una potencia mecánica a partir de energía solar F03G 6/00; dispositivos semiconductores especialmente adaptados para convertir la energía solar en energía eléctrica H01L 31/00; células fotovoltaicas [FV] que incluyen medios directamente asociados con la célula FV para utilizar energía calorífica H01L 31/0525; módulos FV que incluyen medios asociados con el módulo FV para utilizar la energía calorífica H02S 40/44). › teniendo reflectores como elementos de concentración.
  • H01L31/052 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctrica en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › Medios de refrigeración directamente asociado o integrado con la célula fotovoltaica, p. ej. elementos Peltier integrado para la refrigeración activa o disipadores de calor directamente asociados con las células fotovoltaicas (medios de refrigeración en combinación con el módulo fotovoltaico H02S 40/42).
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SISTEMA REFLEXIVO DE CONCENTRACION SOLAR FOTOVOLTAICA.

Fragmento de la descripción:

SISTEMA REFLEXIVO DE CONCENTRACION SOLAR FOTOVOLTAICA

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

5

La presente invención pertenece al campo técnico de los sistemas de concentración

solar fotovoltaica, para el aprovechamiento de la energía solar para la producción de

energía eléctrica, concretamente a sistemas de concentración solar fotovoltaica de alta

concentración, y más concretamente a sistemas formados principalmente por un

1 O espejo concentrador primario, un elemento reflexivo secundario, un elemento óptico

terciario que funciona por reflexión total interna, y un receptor fotovoltaico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

15 Numerosos sistemas de concentración solar fotovoltaica (CPV) han sido propuestos y

desarrollados a lo largo del siglo XX hasta la actualidad. A pesar de este largo historial,

estos sistemas del estado de la técnica no son actualmente competitivos en términos

de coste y eficiencia con respecto a las formas tradicionales de producción de energía.

Los documentos W02006114457, US2009106648 y W02009058603 muestran el

20 típico esquema de funcionamiento de un sistema de concentración solar fotovoltaica.

Dicho sistema consiste en una lente de Fresnel concentradora de luz y un elemento

óptico secundario que dota al sistema de mayor concentración. Diversos sistemas que

utilizan lentes de Fresnel han sido propuestos con y sin óptica secundaria.

Recientemente se han reportado sistemas de concentración por guiado de luz, tal y

25 como muestra el documento W02008131566. Dichos sistemas se caracterizan por su

mayor compacidad frente a sistemas tradicionales.

Existen otros sistemas de concentración solar fotovoltaica basados en la tecnología

Cassegrain. Dichos sistemas consisten en un par de espejos reflectores y un elemento

óptico terciario homogeneizador. Además hay otros elementos ópticos de

30 concentración basados en espejos parabólicos. Dichos sistemas pueden estar

formados por espejos o bien ser un sistema totalmente sólido basado en Reflexión

Total Interna (RTI) , como es mostrado en los documentos W02009058603 y

W02009086293.

Para dichos sistemas Cassegrain se han reportado distintos tipos de elementos

35 ópticos terciarios, tales como prismas con paredes rectas o curvadas, o sistemas tipo

Kohler, tal y como se puede observar en la figura 2, en los que no se emplean

elementos ópticos terciarios.

Un sistema ideal de concentración solar fotovoltaica debería reunir las siguientes

características para ser competitivo: minimizar las pérdidas en los sistemas de

5 concentración ópticos, es decir conseguir una mayor eficiencia óptica; ser soluciones

efectivas en coste y fiables a largo plazo; ser compactos, y conseguir una máxima

eficiencia termodinámica, esto es alcanzar el máximo grado de concentración posible

en un diseño que absorba las tolerancias de fabricación del sistema y desviaciones del

seguidor solar.

1 O Maximizar eficiencia termodinámica significa maximizar el uso de la etendue. El

concepto de etendue, fue descrito por Dr. Winston y Co. en Non lmaging Optics y es

de suma importancia en un sistema de concentración solar fotovoltaica. Maximizar la

etendue significa maximizar el ángulo de aceptancia de un sistema para un grado de

concentración determinado, o bien maximizar la concentración para un ángulo de

15 aceptancia definido. Un módulo de máximo uso de etendue tiene potencial para

concentrar de manera efectiva la radiación solar, minimizando el coste del elemento

semiconductor y en consecuencia del módulo. Asimismo dota al sistema de la

tolerancia necesaria para ser montado en sistemas reales de seguimiento solar, y

permitir las tolerancias de fabricación del módulo sin que ello afecte al rendimiento del

20 mismo.

El máximo grado de concentración alcanzable para un ángulo de aceptancia viene

definido por la siguiente ecuación:

25

Siendo n el índice de refracción del medio en el que está sumergido el receptor

fotovoltaico, 81 el ángulo de entrada en la célula fotovoltaica y 82 el ángulo de

aceptancia en el sistema. Maximizar el uso de la etendue implica pues estar lo más

cerca posible de Cmax paran, 81 y 82 definidos.

30 Los sistemas de concentración solar fotovoltaica mediante lentes de Fresnel son los

hasta ahora más utilizados, ya que es una tecnología conocida, estándar y efectiva en

costes. Sin embargo no son sistemas excesivamente compactos y no maximizan el

uso de la etendue. No obstante, se han publicado ciertos documentos con objeto de

maximizar el uso de etendue utilizando sistemas de lentes con distancias focales muy

elevadas y elementos secundarios con cierta curvatura a la entrada.

Los sistemas reflexivos están siendo introducidos progresivamente, en general son

más compactos que los sistemas refractivos, y con el diseño adecuado maximizan el

5 uso de etendue en comparación con lentes.

Los sistemas por guiado de luz son los más compactos. Sin embargo tienen aun que

demostrar su eficiencia óptica, costes y fiabilidad a largo plazo.

Era por tanto deseable un sistema que consiguiera una elevada concentración solar

fotovoltaica evitando los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del

1 O estado de la técnica.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica

15 mediante un sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica.

La invención tiene como objeto presentar un sistema de concentración fotovoltaica de

alta eficiencia óptica, compacto, efectivo en costes y que maximice el ángulo de

aceptancia para una concentración dada.

El sistema tiene un espejo reflector primario que redirige los haces de luz solar

20 entrante cambiando su dirección de flujo. Este espejo reflector primario esta definido

por una superficie cónica de ecuación:

donde las constantes c1 y k1 se optimizan para maximizar la transmisión de luz sobre la superficie del espejo reflector primario generado por dicha ecuación. El sistema presenta un espejo reflector secundario que vuelve a redireccionar los haces de luz recibida del espejo reflector primario. Este espejo reflector secundario esta definido también por una superficie cónica de ecuación:

donde las constantes c2 y k2 se optimizan para maximizar la transmisión de luz sobre

la superficie del espejo reflector secundario generado por dicha ecuación.

Adicionalmente, el sistema tiene un elemento óptico terciario sólido, que recibe los

haces de luz dirigida desde el espejo reflector secundario, y la transmite a un receptor

5 fotovoltaico.

Este elemento óptico terciario presenta una cara de entrada de los haces de luz curvo

convexa de sección circular, y a continuación una sección piramidal que transmite los

haces de luz por Reflexión Total Interna. Dicha sección piramidal va cambiando su

sección progresivamente de circular a cuadrada. Con ello se consigue acoplar un

1 O máximo ángulo de aceptancia con células fotovoltaicas cuadradas.

Opcionalmente, el elemento óptico terciario puede presentar una zona o reborde

dispuesto alrededor de la cara de entrada. En este reborde se pueden alojar marcas

de alineamiento y sirve de soporte a elementos de sujeción mecánicos. El perímetro

del reborde puede ser circular o cuadrado, dependiendo del proceso de moldeado.

15 El sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención

presenta ciertas ventajas con respecto a sistemas convencionales con lentes de

Fresnel.

En primer lugar, este sistema concentrador está formado por espejos. Los espejos no

presentan aberraciones cromáticas lo que significa puntos focales más nítidos y

20 mayores grados de concentración que el conseguido con las lentes Fresnel.

Asimismo, los espejos pueden presentar radios de curvatura muy superiores a las

lentes, haciendo que el sistema sea más compacto. Mayor compacidad implica menor

coste en materiales del módulo y menor peso de la estructura. Como consecuencia,

los costes en material del seguidor se reducen al no tener que soportar cargas tan

25 altas.

La principal ventaja que este sistema presenta frente a otros sistemas reflexivos

similares radica en el uso del elemento óptico terciario con la forma descrita. Dicho

elemento provee al sistema de un gran ángulo de aceptancia. Ello permite mayores

ratios de concentración manteniendo niveles aceptables del angula de aceptancia

30 necesario para los seguidores. Todas estas características redundan...

 


Reivindicaciones:

5 10 1. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, caracterizado porque comprende un espejo reflector primario (1) que cambia la dirección de los haces de luz solar entrantes en el sistema y los redirige hacia un espejo reflector secundario (2) que vuelve a cambiar la dirección de los haces de luz recibidos y los redirecciona hacia un elemento óptico terciario (3) , que a su vez comprende una cara de entrada (4) curvo-convexa de sección circular, y una sección tronco-piramidal (5) que transmite por reflexión total interna los haces de luz recibidos a un receptor fotovoltaico, comprendiendo el extremo inicial (6) de la sección tronco-piramidal (5) , inmediatamente a continuación de la cara de entrada (4) , una sección transversal circular (6) que se transforma progresivamente en 15 una sección transversal cuadrada hasta alcanzar el extremo final (7) de la sección tronco-piramidal (5) . 2. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento óptico terciario (3) comprende un reborde (8) 20 dispuesto alrededor de la cara de entrada (4) . 25 30 3. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación anterior, caracterizado porque el reborde (8) del elemento óptico terciario (3) tiene una geometría seleccionada entre cuadrada y circular. 4. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizado porque el reborde (8) del elemento óptico terciario (3) es ópticamente inactivo. 5. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizado porque el reborde (8) del elemento óptico terciario (3) es ópticamente activo. 6. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque el reborde (8) es integral con el elemento óptico terciario (3) . 5 7. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque el reborde (8) es independiente del elemento óptico terciario (3) . 8. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las 10 reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espejo reflector primario (1) está definido por una superficie cónica de ecuación en la que las constantes C1 y k1 se optimizan para maximizar la transmisión de luz 15 sobre la superficie del espejo reflector primario (1) generado por dicha ecuación. 20 25 9. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espejo reflector secundario (2) está definido por una superficie cónica de ecuación en la que las constantes C2 y k2 se optimizan para maximizar la transmisión de luz sobre la superficie del espejo reflector secundario (2) generado por dicha ecuación. 10. Sistema reflexivo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el receptor fotovoltaico tiene una superficie de 1 Ox1 O mm2, el espejo reflector primario (1) tiene una superficie de 316, 5x316, 5 mm2, y el espejo reflector secundario (2) es de sección circular y tiene un diámetro de 30 72 mm.

 

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