Aparato para obtener energía radiante.

Un aparato que comprende:

a) un concentrador (40) de luz para concentrar y redirigir energía radiante incidente,

teniendo el concentrador de luz un eje óptico;

b) un separador espectral (32) separado del concentrador de luz y dispuesto a lo largo del eje óptico y en la trayectoria de la energía radiante redirigida concentrada, comprendiendo el separador espectral:

(i) una primera superficie plana (44) tratada para reflejar una primera banda espectral de luz recibida del concentrador de luz hacia una primera región focal y para transmitir una segunda banda espectral;

(ii) una segunda superficie plana (46) separada de la primera superficie plana, estando tratada la segunda superficie plana para volver a reflejar la segunda banda espectral a través de la primera superficie plana y hacia una segunda región focal que está separada de la primera región focal; y

c) receptores primero y segundo (34, 36) de luz,

en el que el primer receptor (34) de luz está dispuesto más cerca de la primera región focal para recibir la primera banda espectral y el segundo receptor (36) de luz está dispuesto más cerca de la segunda región focal para recibir la segunda banda espectral, y

caracterizado porque el aparato es para obtener energía del sol, la segunda superficie plana (46) es oblicua con respecto a la primera superficie plana; y

los receptores primero y segundo (34, 36) de luz son dispositivos fotovoltaicos, termovoltaicos o termofotovoltaicos para obtener del sol energía lumínica de las longitudes de onda en las bandas espectrales respectivas.

Aparato para obtener energía radiante

Declaración relativa a la investigación o el desarrollo con patrocinio federal

La presente invención ha sido realizada con apoyo del gobierno según el acuerdo w911nf-5-9-5 otorgado por el gobierno. El gobierno tiene ciertos derechos en la invención.

Campo de la invención

La presente invención versa, en general, acerca de un aparato para captar y concentrar luz de forma eficaz y, más en particular, versa acerca de un aparato que capta y separa luz en dos o más bandas espectrales, dirigida cada una hacia un receptor separado.

Antecedentes de la invención

La captación y la concentración eficaces de energía radiante son útiles en un número de aplicaciones y tienen un valor particular para dispositivos que convierten energía solar en energía eléctrica. Las células solares concentradoras hacen que sea posible obtener una cantidad significativa de la energía del sol y concentrar esa energía como calor o para la generación de corriente directa a partir de un receptor fotovoltaico.

Normalmente, los concentradores de luz a gran escala para obtener energía solar incluyen un conjunto de espejos curvados opuestos con una disposición Cassegrain como sistema óptico para concentrar luz sobre un receptor que está colocado en un punto focal. Simplemente como algunos ejemplos que emplean el modelo Cassegrain, tanto la patente U.S. n° 5.979.438 titulada "Sunlight Collecting System" de Nakamura como la patente U.S. n° 5.5.958 titulada "High Flux Solar Energy Transformation" de Winston et al. describen sistemas de energía solar a gran escala que utilizan conjuntos de espejos primarios y secundarios opuestos. Como desarrollo más reciente para proporcionar un aparato más compacto de captación, se han introducido concentradores planos, tales como el descrito en el artículo titulado "Planar Concentrators Nearthe Etendue Limit" de Roland Winston y Jeffrey M. Gordon en Optics Letters, vol. 3, n° 19, pp. 2617 - 2619. De forma similar, los concentradores planos emplean espejos curvados primarios y secundarios con una disposición Cassegrain, separados por un material óptico dieléctrico, para proporcionar una concentración elevada de flujo de luz.

La Figura 1A muestra la disposición Cassegrain básica para la captación de luz. Un aparato fotovoltaico 1 con un eje óptico O tiene un espejo primario parabólico 12 y un espejo secundario 14 ubicado cerca del punto focal del espejo primario 12. Entonces, se coloca un receptor 16 en el punto focal de este sistema óptico, en el vértice del espejo primario 12. Un problema reconocido de esta arquitectura, un problema inherente del modelo Cassegrain, es que el espejo secundario 14 presenta una obstrucción a la luz en el eje, de forma que una porción de la luz, nominalmente hasta aproximadamente un 1%, no llega al espejo primario 12, reduciendo la capacidad total de fotocaptación del aparato fotovoltaico 1. Este oscurecimiento puede ser especialmente grande si el concentradores cilindrico en vez de rotacionalmente simétrico. La colocación del receptor 16 en el vértice del espejo primario 12, en la trayectoria de la obstrucción presentada por el espejo secundario 14, ayuda un tanto a mitigar las pérdidas causadas por la obstrucción. Sin embargo, con una configuración óptica cilindrica, se recupera poco o nada de esta pérdida por obstrucción al realizar ajustes dimensionales, dado que el tamaño de la obstrucción aumenta de escala hacia arriba proporcionalmente con cualquier aumento de tamaño en el diámetro del espejo primario 12. Esto significa que aumentar el diámetro del espejo mayor no cambia de forma perceptible la pérdida inherente causada por la obstrucción causada por el espejo más pequeño.

Algunos tipos de sistemas de energía solar operan convirtiendo energía lumínica en calor. En diversos tipos de aparatos de captación de placa plana y de concentradores solares, la luz solar concentrada calienta un fluido que circula a través de la célula solar hasta temperaturas elevadas para la generación de energía. Un tipo alternativo de mecanismo de conversión solar, más adaptable para ser utilizado en paneles delgados y en dispositivos más compactos, utiliza materiales fotovoltaicos (FV) para convertir la luz solar directamente en energía eléctrica. Los materiales fotovoltaicos pueden estar formados de diversos tipos de silicio y de otros materiales semiconductores y son fabricados utilizando técnicas de fabricación de semiconductores y son proporcionados por varios fabricantes, tales como Emcore Photovoltaics, Albuquerque, Nuevo México, EE. UU. por ejemplo. Aunque el silicio es menos caro, los materiales fotovoltaicos de mayor rendimiento son aleaciones fabricadas de elementos tales como aluminio, galio, e indio, junto con elementos tales como nitrógeno y arsénico.

Como es bien conocido, la luz solar es muy policromática, conteniendo un contenido espectral distribuido ampliamente, que varía desde longitudes de onda ultravioleta (UV), pasando por visible hasta la infrarroja (IR), teniendo cada longitud de onda un nivel de energía asociado, expresado normalmente en términos de electronvoltios (eV). No es extraño que, debido a características de banda prohibida que difieren entre materiales semiconductores, la respuesta de un material fotovoltaico particular cualquiera dependa de la longitud de onda incidente. Los fotones que tienen un nivel de energía inferior a la banda prohibida de un material pasan. Por ejemplo, los fotones de luz roja (nominalmente aproximadamente 1,9 eV) no son absorbidos por semiconductores con banda prohibida elevada. Por

otra parte, los fotones que tienen un nivel de energía mayor que la banda prohibida para un material son absorbidos. Por ejemplo, se desaprovecha como calor el exceso de energía de los fotones de luz violeta (nomlnalmente aproximadamente 3 eV) en un semiconductor con banda prohibida reducida.

Una estrategia para obtener mayores eficacias de materiales fotovoltaicos es formar una célula fotovoltaica apilada, denominada a veces dispositivo fotovoltaico de uniones múltiples. Estos dispositivos se forman apilando múltiples células fotovoltaicas unas encima de otras. Con tal diseño, cada célula fotovoltaica sucesiva en la pila, con respecto a la fuente de luz incidente, tiene una energía de banda prohibida menor. En un dispositivo fotovoltaico apilado sencillo, por ejemplo, una célula fotovoltaica superior, que consiste en arseniuro de galio (GaAs), capta la mayor energía de la luz azul. Una segunda célula, de antimoniuro de galio (GaSb), convierte la luz infrarroja de menor energía en electricidad. En la patente U.S. n° 6.835.888 titulada "Stacked Photovoltaic Device" de Sano et al. se proporciona un ejemplo de un dispositivo fotovoltaico apilado.

Aunque las células fotovoltaicas apiladas pueden proporcionar cierta medida de mejora en la eficacia total, puede ser costoso fabricar estos dispositivos de múltiples capas. También puede haber restricciones sobre los tipos de materiales que pueden ser apilados conjuntamente unos encima de otros, lo que hace que sea difícil que tal enfoque resulte económico para una amplia gama de aplicaciones. Otro enfoque es separar la luz según la longitud de onda en dos o más porciones espectrales, y concentrar cada porción sobre un dispositivo receptor fotovoltaico apropiado, con dos o más receptores fotovoltaicos dispuestos lado a lado. Con este enfoque, la fabricación de dispositivos fotovoltaicos es más sencilla y menos costosa, y se pueden considerar una mayor variedad de semiconductores para ser utilizados. Este tipo de solución requiere una óptica auxiliar tanto para separar luz en componentes espectrales adecuados como para concentrar cada componente espectral sobre su superficie fotovoltaica correspondiente.

En una monografía titulada "New Cassegrainian PV Module using Dichroic Secondary and Multijunction Solar Cells" presentada en un Congreso Internacional sobre la Concentración Solar para la Generación de Electricidad o Hidrógeno, en mayo de 25, de L. Fraas, J. Avery, H. Huang y E. Shifman, se describe una solución propuesta para separar y concentrar simultáneamente luz con suficiente intensidad. En el módulo descrito en este artículo y representado esquemáticamente en la Figura 1B, el espejo primario curvado 12 capta luz y dirige esta luz hacia un espejo secundario hiperbólico dicroico 14, cerca del plano focal del espejo primario. Se concentra la luz IR en un primer receptor fotovoltaico 16 cerca del punto focal del espejo primario. El espejo secundario redirige luz casi visible hacia un segundo receptor fotovoltaico 18 colocado cerca del vértice del espejo primario. De esta forma, cada receptor fotovoltaico 16 y 18 obtiene la energía lumínica para la que está optimizado,... [Seguir leyendo]

1. Un aparato que comprende:

a) un concentrador (4) de luz para concentrar y redirigir energía radiante incidente, teniendo el concentrador de luz un eje óptico;

b) un separador espectral (32) separado del concentrador de luz y dispuesto a lo largo del eje óptico y en la trayectoria de la energía radiante redirigida concentrada, comprendiendo el separador espectral:

(i) una primera superficie plana (44) tratada para reflejar una primera banda espectral de luz recibida del concentrador de luz hacia una primera región focal y para transmitir una segunda banda espectral;

(ii) una segunda superficie plana (46) separada de la primera superficie plana, estando tratada la segunda superficie plana para volver a reflejar la segunda banda espectral a través de la primera superficie plana y hacia una segunda región focal que está separada de la primera región focal;

y

c) receptores primero y segundo (34, 36) de luz,

en el que el primer receptor (34) de luz está dispuesto más cerca de la primera región focal para recibir la primera banda espectral y el segundo receptor (36) de luz está dispuesto más cerca de la segunda región focal para recibir la segunda banda espectral, y

caracterizado porque el aparato es para obtener energía del sol, la segunda superficie plana (46) es oblicua con respecto a la primera superficie plana; y

los receptores primero y segundo (34, 36) de luz son dispositivos fotovoltaicos, termovoltaicos o termofotovoltaicos para obtener del sol energía lumínica de las longitudes de onda en las bandas espectrales respectivas.

2. El aparato según la reivindicación 1, en el que la primera superficie plana (44) refleja longitudes de onda visibles.

3. El aparato según la reivindicación 1, en el que la primera superficie plana (44) refleja longitudes de onda infrarrojas.

4. El aparato según la reivindicación 1, en el que las superficies planas primera y/o segunda (44, 46) tiene un revestimiento dicroico.

5. El aparato según la reivindicación 1, en el que al menos uno de los receptores primero y segundo (34, 36) de luz es un receptor fotovoltaico.

6. El aparato según la reivindicación 1, en el que al menos uno de los receptores primero y segundo (34, 36) de luz es un receptor termovoltaico.

7. El aparato según la reivindicación 1, en el que el eje óptico de dicho concentrador (32) de luz se encuentra entre las regiones focales primera y segunda.

8. El aparato según la reivindicación 1, en el que el separador espectral (4) comprende, además, un material dieléctrico sólido entre las superficies planas primera y segunda (44, 46) y en el que los receptores primero y segundo de luz se encuentran sustancialmente en el mismo plano.

9. El aparato según la reivindicación 1, en el que al menos una de las superficies planas primera y segunda (44, 46) es oblicua con respecto al eje óptico del concentrador de luz.