Sistema de concentración de haces de rayos de luz.

Sistema de concentración de haces de rayos de luz, que consiste en introducir un cambio de dirección en cada haz (3) de rayos concentrados por un elemento refractivo (2),

mediante un elemento reflexivo (4), de modo que el punto de concentración del haz de rayos (3) quede situado fuera del eje de simetría (6) del elemento refractivo (2). El conjunto puede incluir además un elemento homogeneizador (8).

SISTEMA DE CONCENTRACIÓN DE HACES DE RAYOS DE LUZ Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de concentración de haces de rayos de luz, especialmente para la concentración de haces de rayos solares, mediante un elemento refractivo que concentra los rayos de luz procedentes de un emisor en un punto coincidente con el foco del elemento refractivo.

La presente invención pertenece al campo técnico de los sistemas de producción de energía eléctrica mediante concentración solar fotovoltaica, y más concretamente a sistemas formados principalmente por elementos concentradores refractivos y reflexivos, junto con homogeneizadores, células fotovoltaicas y elementos auxiliares de conexión y protección.

El invento resuelve problemas asociados a los sistemas de concentración solar fotovoltaica mediante una novedosa configuración que permite aumentar el factor de concentración y la eficiencia de los módulos fotovoltaicos y a la vez reducir el precio y costo de los mismos.

Antecedentes de la invención

Los sistemas fotovoltaicos de concentración utilizan luz solar concentrada para la producción de energía eléctrica. El efecto de concentración se consigue mediante dispositivos ópticos (lentes o espejos) que refractan o reflejan la luz solar, concentrándola sobre células fotovoltaicas de pequeño tamaño. Como el área requerida de célula es pequeña, se utilizan células solares altamente eficientes. El objetivo final de estos sistemas es reducir el coste de la energía generada, sustituyendo material semiconductor costoso por materiales ópticos más baratos y de tecnología accesible.

Para que se produzca la generación eléctrica en los sistemas fotovoltaicos de concentración es necesario un sistema que aglutine tres elementos: 1.- Un dispositivo, específicamente tratado, que sea capaz de convertir la luz solar en energía eléctrica. En el caso de la concentración fotovoltaica, el dispositivo encargado es la célula solar fotovoltaica. 2.- Un dispositivo óptico que concentre la luz solar sobre la célula

fotovoltaica, de tal manera que la radiación solar incidente se multiplica en una zona determinada. 3.- Un seguidor solar que esté permanentemente siguiendo el movimiento del Sol, logrando de este modo que la radiación solar incidente en el dispositivo de conversión sea la adecuada a lo largo de la trayectoria solar diaria.

Existe una gran variedad de sistemas que combinan estos tres elementos (célula, óptica y seguidor) de diferentes maneras. Algunas de las configuraciones más habituales están recogidas en la norma UNE-EN 62108:2011 Módulos y sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV).

Los conjuntos ópticos para aplicaciones fotovoltaicas de concentración pueden estar diseñados pára enfocar en un punto o en una línea y pueden realizarse a partir de lentes (concentradores refractivos), espejos (concentradores reflexivos) o una combinación de ambos.

Los conjuntos ópticos diseñados para enfocar en un punto, suelen presentar simetría circular en torno a su eje, mientras que los diseñados para enfocar en un línea, suelen presentar una sección transversal constante a lo largo del eje transversal. Los dispositivos de enfoque lineales presentan mayores problemas por los efectos de no uniformidad del flujo, por lo tanto actualmente, es más habitual el concepto de enfoque puntual en las aplicaciones de concentración fotovoltaica.

Los conjuntos ópticos basados en elementos reflexivos suelen usar uno o varios espejos planos o curvos del tipo cilindro parabólico compuesto, conocidos como CPC. Conjuntos de este tipo se encuentran recogidos en diferentes patentes (ES1065532U, ES2325111A1, ES2372083A1, ES2345427A1, DE102004037722A1, DE10151468A1, W02008102342A1, GB1570684A, DE19814617A1, US6252155B1, US4964713A, W02004114419A1, US4045246A).

Los sistemas de concentración basados en la tecnología Cassegrain son del tipo reflexivo, pero a diferencia de los descritos anteriormente, consisten en un par de espejos reflectores enfrentados que realizan una doble reflexión, permitiendo implementar conjuntos ópticos reflexivos más compactos. Conjuntos de este tipo se encuentran recogidos en diferentes patentes (W02012042082A1, ES1071351U, US4038972A, ES2227197T3).

Actualmente las lentes son más utilizadas como elemento óptico primario que los espejos. Esto se debe a que ofrecen más flexibilidad a la hora de diseñar la óptica del dispositivo, pudiendo buscarse soluciones que eviten los problemas de no-uniformidad en el flujo. Además, las lentes son menos sensibles a los errores de fabricación, ya que los pequeños errores sobre la cara frontal y la posterior tienen cierta posibilidad de autocorregirse. En un espejo, sin embargo, un pequeño error angular en el perfil origina un error de aproximadamente el doble de magnitud en el rayo reflejado.

Las lentes se pueden subdividir en dos tipos: lentes convencionales plano-convexa y lentes de Fresnel. La lente de Fresnel se obtiene rebajando la lente convencional mediante cortes en anillos circulares concéntricos consecutivos. Los concentradores fotovoltaicos utilizan en su mayoría lentes de Fresnel, debido a su menor volumen de material y, como consecuencia, menor peso y coste. Las lentes de Fresnel pueden ser planas o curvadas. Las lentes curvadas pueden presentar ventajas, como una menor dispersión de la imagen debido a la aberración cromática, mayores tolerancias de fabricación, menor impacto de las deformaciones de la lente, disminución de las pérdidas por reflexión o dotar a la estructura de una mayor rigidez. Las lentes de Fresnel se suelen fabricar con plástico acrílico (Polimetil Metacrilato, PMM), que es fácil de moldear y resistente a las inclemencias climáticas. Sin embargo, aún existen problemas de durabilidad a largo plazo en este tipo de lentes. Existenm otras posibilidades, como las lentes de vidrio o las que se obtienen moldeando el material plástico bajo un sustrato de vidrio.

Los conjuntos ópticos basados en elementos refractivos suelen usar lentes Fresnel rotacionales que focalizan los haces solares en un punto. Conjuntos de este tipo están recogidos en las patentes PCT/ES2006/000130, WO2006114457A1, ES2395235A1, PCT/ES2009/000516, MX2011005357, ES2364310A1, US2005092360A1,

DE19600813A1, W02006065246A1 y US2008087323A1.

Aunque la configuración típica de los sistemas ópticos de concentración fotovoltaica basados en lentes en la mostrada en las anteriores patentes, existen algunos sistemas que difieren de la configuración anteriormente descrita, así, la patente ES1071870 U, presenta como novedad una lente con dos focos y las patentes ES2364665A1, W02008131561A1 y US2006016448A1 proponen como elemento diferenciador el uso de una guía óptica entre la lente y la célula fotovoltaica.

Los conjuntos ópticos de los sistemas de concentración fotovoltaica actuales pueden incluir un dispositivo óptico secundario o elemento óptico que recibe la luz desde el dispositivo óptico primario cuya misión es homogeneizar la luz que recibe la célula solar. Actualmente se suele usar óptica secundaria basada en elementos tales como prismas con paredes rectas o curvadas, o sistemas tipo Kohler está ampliamente aceptado en concentradores de lentes Fresnel que focalizan en un punto. Esto es debido a que, frente a las pequeñas pérdidas ópticas, prevalecen otras ventajas como son el aumento de la aceptancia angular y la mejora de la uniformidad de la luz incidente sobre la célula receptora.

Un módulo fotovoltaico de concentración es un montaje completo y protegido de las condiciones ambientales, capaz de transformar una entrada de radiación solar no concentrada en energía eléctrica. Está formado por:

Células fotovoltaicas interconectadas en serie y en paralelo

Conjuntos ópticos concentradores

Elementos para permitir la conexión y protección de las células

Elementos para facilitar su instalación (marco, conectores, etc.).

Los módulos fotovoltaicos de concentración pueden implementarse mediante una gran variedad de dispositivos y configuraciones de los mismos, pero el tipo más empleado por los fabricantes presenta las siguientes características:

- Alta concentración.

- Células de materiales III-V.

- Óptica mediante lentes de Fresnel.

- Lentes rotacionales que focalizan en un punto.

- Dispositivo óptico secundario.

- Seguimiento a dos ejes.

- Refrigeración pasiva.

Actualmente, a pesar de los grandes esfuerzos y logros alcanzados en la tecnología fotovoltaica de concentración no se han conseguido sistemas que puedan competir en precio con la tecnología fotovoltaica convencional para sistemas que produzcan la misma cantidad...

1.- Sistema de concentración de haces de luz, especialmente para la concentración de haces de rayos solares, mediante un elemento óptico primario, tal como un elemento refractivo o reflexivo, que concentra los rayos procedentes de un emisor en un punto o linea coincidente con el foco del elemento óptico, caracterizado por que consiste en introducir un cambio de dirección en cada haz de rayos concentrados, mediante la disposición de un elemento óptico secundario, de tipo reflexivo, en la trayectoria de los rayos concentrados por el elemento óptico primario, de modo que el punto de concentración del haz de rayos concentrados quede situado fuera del eje de simetría del elemento óptico primario.

2..- Sistema según reivindicación 1, caracterizado por que se hace pasar el haz de rayos concentrados, después de sufrir el cambio de dirección y antes de alcanzar el punto de concentración, a través de un elemento óptico terciario que actúa como medio homogeneizador.

3.- Sistema según reivindicación 2, caracterizado por que el elemento óptico terciario, que actúa como medio homogeneizador, consiste en un elemento reflexivo o refractivo que transmite por reflexión interna el haz de luz recibido al punto de concentración.

4 - Sistema según reivindicación 2, caracterizado por que el elemento óptico terciario que actúa como medio homogeneizador es de forma troncopiramidal y transmite, por reflexión total interna, el haz de rayos recibidos al punto de concentración.

- Sistema según reivindicación 1, caracterizado porque el elemento óptico primario consiste en una lente con enfoque puntual.

6.- Sistema según reivindicación 1, caracterizado por que el elemento óptico primario consiste en una lente con enfoque lineal.

7.- Sistema según reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que se dispone una célula fotovoltaica en coincidencia con el punto o línea de concentración del haz de rayos.

8.- Sistema según reivindicación 1, caracterizado por que se efectúa el cambio de dirección de al menos dos haces concentrados de modo que el punto de concentración de dichos haces sea coincidente.

9.- Módulo fotovoltaico, que comprende una serie de células fotovoltaicas que reciben haces de rayos solares concentrados de acuerdo con el sistema de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que cada célula recibe los rayos concentrados de al menos dos haces de rayos solares.