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
- H01L31/052 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 eléctricas 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 asociados o integrados con la célula fotovoltaica, p. ej. elementos Peltier integrados 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).
- H02N6/00
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 demaximizar 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...
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