Un concentrador solar para sistemas fotovoltaicos.

Un concentrador solar (1) para sistemas fotovoltaicos que tiene un plano de simetría (2),

perteneciendo una extensión principal a lo largo de un eje longitudinal (3) al plano de simetría y una sección transversal perpendicular al eje longitudinal sustancialmente igual para un continuo de secciones transversales perpendiculares a lo largo de al menos una porción de la extensión longitudinal del concentrador, formando la sección transversal del plano de simetría un eje de simetría (5) de la sección transversal perpendicular, comprendiendo el concentrador solar un sistema reflectante principal (6) y un sistema refractante secundario (7) que se extienden ambos longitudinalmente y que tienen un perfil respectivo en la sección transversal perpendicular, formando el sistema reflectante principal en sus dos extremos opuestos a lo largo del eje de simetría respectivamente una entrada óptica (8) y una salida óptica (9) y comprendiendo dos semiporciones colocadas especularmente en relación con el plano de simetría, donde el perfil de la sección transversal del sistema refractante secundario (7) es un triángulo (11) que tiene una base (12) en la sección transversal de la salida óptica (9) y un vértice (13) en el eje de simetría (5) entre la entrada y la salida óptica, donde el perfil de la sección transversal de cada semiporción del sistema reflectante principal (6) se extiende desde un punto cercano a un vértice respectivo (15) hasta la base del triángulo hasta un punto extremo (16) en la entrada óptica y comprende un segmento (18) sustancialmente en forma de una parábola que tiene un eje (20) que forma con el eje de simetría un ángulo de aceptación (θ0) mayor que cero y un foco (F) en el eje de simetría, caracterizado porque el foco (F) está situado dentro del triángulo (11).

Un concentrador solar para sistemas fotovoltaicos Campo técnico [0001] Esta invención se aplica en el campo de las instalaciones fotovoltaicas, en particular en el campo de los sistemas de concentración fotovoltaica, aún más en particular en el campo de los sistemas de baja concentración.

Técnica antecedente [0002] Existen sistemas de concentración fotovoltaica de la técnica anterior en los que la radiación solar es concentrada usando un sistema óptico en el material fotovoltaico. El factor de concentración solar de los sistemas de concentración óptica, definido como la relación del área de la abertura de entrada de la radiación solar y el área ocupada por el material fotovoltaico sobre el cual se concentra la radiación, puede estar comprendido entre valores de aproximadamente 1 y 10, los cuales se denominan de baja concentración, hasta valores de 100 y superiores (alta concentración) , pasando por valores intermedios de entre aproximadamente 10 y 100 (concentración promedio) .

El documento de patente AU-A-7099/87, el cual desvela un concentrador solar según el preámbulo de la reivindicación 1, y el artículo "Prism-coupled compound parabola: a new ideal and optimal solar concentrator", Ian R. Edmonds, OPTICS LETTERS, Vol. 11, Nº 8, agosto de 1986, a cuyo contenido completo se hace referencia en esta invención, describen un concentrador solar bidimensional (2-D) para instalaciones fotovoltaicas de baja concentración que comprende un par de reflectores parabólicos que se reflejan entre sí, cada parábola, en una sección transversal perpendicular, que tiene un eje paralelo a la dirección de incidencia de la radiación incidente en el ángulo de aceptación predeterminado y el foco en el vértice de un prisma refractante colocado entre los dos reflectores y que tiene la base en la salida óptica del concentrador (en la cual están colocadas las células fotovoltaicas) . Esta estructura, según el autor de los documentos anteriormente mencionados, permite la captación en las células fotovoltaicas de toda la radiación incidente dentro del ángulo de aceptación.

El solicitante ha hallado que los concentradores solares de la técnica anterior, incluyendo el concentrador anteriormente mencionado, no carecen de desventajas y pueden mejorarse desde diversos puntos de vista.

En general, el solicitante ha hallado que los concentradores solares de la técnica anterior están caracterizados por un factor de concentración y/o una eficiencia de concentración insatisfactorios y/o por un gran tamaño global, en particular la altura a lo largo del eje de simetría (véase más adelante) , y/o por una producción y/o instalación y/o mantenimiento complejos y/o por un elevado coste de producción.

En particular, el solicitante ha hallado que la estructura del concentrador anteriormente mencionado descrito por Edmonds no es en realidad óptima en cuanto a la "eficiencia de concentración" (Pr) , definida como la relación entre la potencia óptica total incidente en la entrada óptica del concentrador y la potencia óptica que realmente llega a la salida óptica del concentrador (y, por lo tanto, la célula fotovoltaica) .

En primer lugar, el solicitante observa que el concentrador bidimensional de la técnica anterior anteriormente mencionado tiene un plano de simetría, una extensión principal a lo largo de un eje longitudinal pertenece al plano de simetría y un continuo de secciones transversales perpendiculares al eje longitudinal entre ellas igual a lo largo de todo el eje de extensión longitudinal, definiendo la sección transversal del plano de simetría un eje de simetría de la sección transversal perpendicular. En este contexto, la radiación incidente en el 50 concentrador está caracterizada por dos ángulos de incidencia con respecto al eje de simetría de la sección transversal del concentrador, medidos en dos planos perpendiculares entre sí, donde el primer ángulo (indicado en lo sucesivo como NS) , considerado también por Edmonds, se mide en el plano de la sección transversal perpendicular (en el que están definidas las parábolas anteriormente mencionadas, véase, por ejemplo, la figura 1 del documento AU-A-70929/87) y el segundo ángulo (indicado como EO) se mide en el plano de simetría del 55 concentrador 2-D. Más exactamente, el ángulo real de incidencia con respecto al eje de simetría puede proyectarse perpendicularmente sobre los dos planos anteriormente mencionados. Por simplicidad, las proyecciones se denominarán en esta invención con la expresión "primer y segundo ángulo de incidencia".

Según Edmonds, la eficiencia de concentración del concentrador anteriormente mencionado es igual a

uno para los primeros ángulos de incidencia NS inferiores al ángulo de aceptación. El solicitante ha hallado que esta afirmación es estrictamente cierta (despreciando las pérdidas debidas a reflexión y refracción) sólo cuando la radiación tiene una dirección de incidencia que está situada en el plano de la sección transversal del concentrador, o, en otras palabras, el segundo ángulo de incidencia EO, formado con este plano de la sección transversal, es cero.

Cuando, sin embargo, la radiación forma un segundo ángulo EO con el plano de la sección transversal distinto de cero, el solicitante ha descubierto sorprendentemente que el comportamiento del concentrador difiere del considerado por Edmonds (para radiación incidente con un primer ángulo NS, en el plano de la sección transversal, distinto de cero) , con una reducción en la eficiencia de concentración que se reduce más cuanto mayor es el segundo ángulo de incidencia EO anteriormente mencionado (y cuanto mayor es el primer ángulo NS anteriormente mencionado) .

El solicitante se ha dado cuenta de que en una aplicación real del concentrador 2-D de la técnica anterior anteriormente mencionado, en el que éste está orientado con el eje longitudinal de extensión (a lo largo del cual la geometría de la sección transversal permanece constante) paralelo a la dirección geográfica Este-Oeste y con la sección transversal anteriormente mencionada perpendicular paralela a la dirección geográfica Norte-Sur, la radiación solar a lo largo del periodo de un día varía el segundo ángulo relativo de incidencia (EO) hasta un máximo comprendido entre -90º y +90º (con el horizonte despejado) . Por lo tanto, según el solicitante, la eficiencia global a lo largo del periodo de todo el día del concentrador 2-D de la técnica anterior anteriormente mencionado no sería la esperada, excepto en el caso ideal en el cual el primer ángulo de incidencia NS es cero (concentrador orientado de tal manera que la elevación del eje de simetría es igual a la elevación del sol, una condición que puede producirse como máximo sólo durante unos pocos días al año) . Por otra parte, la eficiencia global sería típicamente inferior a la esperada.

Un problema que forma la base de esta invención, según sus diversos aspectos y/o realizaciones, es proporcionar un concentrador solar para instalaciones fotovoltaicas, un sistema fotovoltaico, un panel fotovoltaico y un procedimiento para producir un panel fotovoltaico que pueda superar una o más de las desventajas anteriormente mencionadas.

Descripción de la invención [0012] El solicitante ha hallado que en la configuración anteriormente mencionada de un concentrador solar para instalaciones fotovoltaicas, puede obtenerse un aumento significativo en la eficiencia de concentración desplazando el foco a una posición diferente en relación con el vértice del prisma refractante.

Según un aspecto, la invención se refiere a un concentrador solar para instalaciones fotovoltaicas que tiene un plano de simetría, perteneciendo una extensión principal a lo largo de un eje longitudinal al plano de simetría y una sección transversal perpendicular al eje longitudinal (sustancialmente) igual para un continuo de secciones 40 transversales perpendiculares al eje longitudinal medido a lo largo de al menos una porción de la extensión longitudinal del concentrador, definiendo la sección transversal del plano de simetría un eje de simetría de la sección transversal perpendicular. El concentrador solar comprende un sistema reflectante principal (también denominado en lo sucesivo simplemente sistema reflectante) y un sistema refractante secundario (también denominado en lo sucesivo simplemente sistema refractante) que se extienden ambos longitudinalmente y que tienen un perfil 45 respectivo en la sección transversal perpendicular. El sistema reflectante principal define en sus dos extremos opuestos a lo largo del eje de simetría respectivamente una entrada óptica y una salida óptica (ambas colocadas sustancialmente perpendiculares al eje de simetría)... [Seguir leyendo]

1. Un concentrador solar (1) para sistemas fotovoltaicos que tiene un plano de simetría (2) , perteneciendo una extensión principal a lo largo de un eje longitudinal (3) al plano de simetría y una sección 5 transversal perpendicular al eje longitudinal sustancialmente igual para un continuo de secciones transversales perpendiculares a lo largo de al menos una porción de la extensión longitudinal del concentrador, formando la sección transversal del plano de simetría un eje de simetría (5) de la sección transversal perpendicular, comprendiendo el concentrador solar un sistema reflectante principal (6) y un sistema refractante secundario (7) que se extienden ambos longitudinalmente y que tienen un perfil respectivo en la sección transversal perpendicular, 10 formando el sistema reflectante principal en sus dos extremos opuestos a lo largo del eje de simetría respectivamente una entrada óptica (8) y una salida óptica (9) y comprendiendo dos semiporciones colocadas especularmente en relación con el plano de simetría, donde el perfil de la sección transversal del sistema refractante secundario (7) es un triángulo (11) que tiene una base (12) en la sección transversal de la salida óptica (9) y un vértice (13) en el eje de simetría (5) entre la entrada y la salida óptica, donde el perfil de la sección transversal de cada semiporción del sistema reflectante principal (6) se extiende desde un punto cercano a un vértice respectivo (15) hasta la base del triángulo hasta un punto extremo (16) en la entrada óptica y comprende un segmento (18) sustancialmente en forma de una parábola que tiene un eje (20) que forma con el eje de simetría un ángulo de aceptación (0) mayor que cero y un foco (F) en el eje de simetría, caracterizado porque el foco (F) está situado dentro del triángulo (11) .

2. El concentrador solar (1) según la reivindicación 1, en el que la distancia del foco desde el vértice del triángulo es superior o igual al 5 % de la altura total del triángulo.

3. El concentrador solar (1) según la reivindicación 1 o 2, en el que la distancia del foco desde el vértice 25 del triángulo es inferior o igual al 20 % de la altura total del triángulo.

4. El concentrador solar (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el triángulo (11) es un triángulo isósceles y el ángulo del vértice del triángulo (v) es superior o igual a 40º y/o inferior o igual a 80º. 30

5. El concentrador solar (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el perfil de la sección transversal de cada semiporción del sistema reflectante principal comprende una primera (17) y una segunda parte (18) , con preferencia unidas entre sí sin interrupción, siendo la primera parte sustancialmente rectilínea y consistiendo la segunda parte en el segmento conformado sustancialmente según una parábola.

6. El concentrador solar (1) según la reivindicación anterior, en el que el ángulo más pequeño (1) formado por la primera parte del perfil de cada semiporción del sistema reflectante con una dirección paralela al eje de simetría está entre:

/2 - v/4 - 0/2 - 0, 1* ( /2 - v/4 - 0/2)

y /2 - v/4 - 0/2 + 0, 1* ( /2 - v/4 - 0/2) . 45

7. Un sistema fotovoltaico (10) que comprende un concentrador solar (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y una célula fotovoltaica (30) acoplada ópticamente con la salida óptica (9) .

8. El sistema fotovoltaico (10) según la reivindicación anterior, que comprende una chapa metálica (40)

doblada adecuadamente para formar en un solo cuerpo el sistema reflectante principal y que forma también una pared inferior (41) interpuesta con continuidad estructural entre la primera y segunda semiporciones del sistema reflectante, estando la célula fotovoltaica (30) fijada mecánicamente a la pared inferior.

9. Un panel solar fotovoltaico que comprende una pluralidad de sistemas fotovoltaicos según las 55 reivindicaciones 7 o 8, colocados con los ejes longitudinales paralelos entre sí, en el que el panel solar comprende una sola chapa metálica (40) doblada adecuadamente para formar en un solo cuerpo la pluralidad anteriormente mencionada de sistemas reflectantes principales paralelos entre sí, en el que cada semiporción de cada sistema reflectante tiene el borde extremo (16) en la entrada óptica cercana (8) y en continuidad estructural con el borde extremo (16) en la entrada óptica (8) de una semiporción adyacente correspondiente de un sistema reflectante 11

adyacente, en el que la chapa metálica también forma una pluralidad de paredes inferiores (41) interpuestas con continuidad estructural entre cada par de primeras y segundas semiporciones que pertenecen a cada sistema reflectante, y donde la pluralidad de células fotovoltaicas (30) está fijada mecánicamente a la pluralidad de paredes inferiores.

10. Un procedimiento de operación de un panel solar fotovoltaico según la reivindicación anterior, que comprende orientar el panel de tal modo que el plano de simetría esté colocado a lo largo de la dirección geográfica ESTE-OESTE;

-orientar el panel dos veces durante un año solar, en el que el eje de simetría del concentrador es colocado la primera vez a una elevación entre la elevación del sol en los días de equinoccio y la elevación del sol en el día del solsticio de verano, y en el que el eje de simetría es colocado la segunda vez a una elevación entre la elevación del sol en los días de equinoccio y la elevación del sol en el día del solsticio de invierno.