Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico con holografía incorporada.

Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico con holografía incorporada.

Se presenta un panel solar con cavidades o estructuras unitarias tridimensionales (3D) realizado enteramente en materiales plásticos, y aplicable tanto a panel solar térmico como a módulo solar fotovoltaico. En el primero, la estructura incorpora tuberías (6) para un fluido caloportador, mientras que, en el segundo, está dotada de células solares fotovoltaicas (8). La aplicación solar térmica utiliza materiales con muy baja conductividad térmica, mientras que la fotovoltaica se realiza con materiales de elevada conductividad térmica. La estructura unitaria 3D aprovecha las ventajas concentradoras de tres elementos ópticos: sobre la base de plástico (12) se colocan una superficie altamente reflectante (10), un holograma de reflexión (9) de amplio ancho de banda espectral y angular, y un medio óptico transparente (11), con índice de refracción y ángulo de inclinación tales que atrapa la luz en su interior por Reflexión Total Interna (TIR, por sus siglas en inglés).

Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico con holografía incorporada.

Sector de la técnica 5

La invención se encuadra en el sector técnico de energías renovables, más concretamente en el relativo tanto a la energía solar térmica y termoeléctrica, como a la solar fotovoltaica.

Estado de la técnica 10

Los paneles solares térmicos mayormente disponibles comercialmente en la actualidad son estructuras planas bidimensionales en las que la radiación solar se concentra en las tuberías portadoras de líquido mediante aletas metálicas recubiertas de pintura absorbente de radiación. La disipación de calor se evita mediante aislamiento con lana de roca o elementos similares, 15 aunque hay pérdidas por convección que no se evitan en este concepto. Todo el sistema se encuadra en un marco de aluminio, y la superficie frontal es un vidrio plano. La construcción completa tiene como resultado un elevado peso, por encima de los 30 kg para paneles de 2 m2.

Estos paneles, denominados colectores planos, son relativamente baratos, y altamente 20 eficientes para climas cálidos y elevaciones moderadas de temperatura del líquido caloportador, por debajo de los 50 º C, lo cual limita su aplicación tanto a dichas regiones climáticas, como a rangos bajos de calentamiento de líquidos. Si se desea ubicar el panel en zonas más templadas, o realizar calentamientos de líquido más elevados (por encima de 100 º C y hasta 150 º C) , es necesario acudir a otros dos conceptos. Por un lado, los denominados 25 colectores de tubos de vacío. En ellos la tubería a calentar se introduce en un tubo de vidrio en el que se realiza el vacío, minimizando las pérdidas térmicas por convección. Por otro lado, los denominados colectores parabólicos compuestos o CPC concentran la luz en las tuberías mediante espejos pseudoparabólicos. Ambos conceptos, además del elevado peso, tienen la gran desventaja del precio, puesto que requieren bien de tecnología complicada y/o bien de 30 materiales que lo elevan hasta el doble o incluso el triple que el colector plano.

Resulta conveniente por tanto, en este sector, desarrollar un producto que sea altamente eficiente en diferentes regiones y rangos de temperatura, desde 50 a 150 º C, a la vez que resulte de mucho menor peso, así como precio comparable o inferior al colector plano. 35

En cuanto a los módulos solares fotovoltaicos, los más comunes en el mercado son planos, con un vidrio frontal, un marco de aluminio y prácticamente toda la superficie cubierta de células solares fotovoltaicas. Esta estructura resulta también pesada, sobre los 20 kg para un módulo convencional de 250 W. Dado que las células solares representan con diferencia la 40 parte más importante del coste, existe desde hace décadas un esfuerzo por reducir su superficie, sustituyéndola por elementos concentradores en teoría más baratos que logren incidir toda la luz recibida sobre ellas. Sin embargo, hasta ahora los sistemas solares fotovoltaicos de concentración, de muy diversos tipos, no han logrado una entrada significativa en el mercado. Las razones principales son el precio, así como la mayor complicación de la 45 estructura final del sistema completo, que requiere seguimiento del sol. Además, normalmente las concentraciones que se consiguen, por encima de 20 veces un sol, ó 20X, y hasta 1.000X en sistemas de alta concentración, añaden un problema: la célula solar se calienta en exceso, y se debe considerar un sistema activo o pasivo de refrigeración. Ello añade complejidad y coste a estos sistemas. 50

La holografía, como tecnología óptica, presenta muchas ventajas respecto a otros sistemas ópticos concentradores (lentes o espejos, por ejemplo) : es mucho más versátil y barata que ellos. Utilizada en baja concentración, además, elimina la necesidad de seguimiento del sol, con lo que se reduce la complejidad del sistema.

Ha habido previamente intentos de utilizar holografía en paneles solares. Por ejemplo, la patente US4863224, concedida a Afian et al., utiliza un holograma y un prisma o placa. Sin 5 embargo, este concentrador solar debe estar alineado con el sol, y no posee ninguna capacidad de seguimiento pasivo. Otra invención que también posee esta desventaja es la patente US5268985, otorgada a Ando et al. Comprende un holograma y una superficie de reflexión total, pero, además de necesitar seguimiento, se construye para captar luz monocromática y desaprovecha la mayor parte del espectro solar. Las patentes US5877874 y 10 US6274860, concedidas a Rosenberg, presentan un concentrador holográfico plano en el que al menos una película holográfica multiplexada, que consigue anchos de banda angulares y espectrales elevados, concentra la luz en células solares colocadas en el mismo plano. Esta invención tiene el inconveniente de tener muchas pérdidas espectrales, y la necesidad de utilizar células bifaciales, así como de colocar el sistema solar completo en un lugar plano con 15 el suelo pintado en blanco para reflejar el albedo. La patente US20080257400, concedida a Mignon y Han, presenta también un concentrador holográfico plano pero con dos superficies distintas, en las que hay hologramas de transmisión y reflexión multiplexados, con las células solares en perpendicular a dichas superficies colectoras. La gran desventaja de este diseño, además de las pérdidas por las varias reflexiones y transmisiones en los varios hologramas, es 20 la dificultad constructiva, que puede alejarlo de una fabricación a costes competitivos. Por último, la patente US20120125403, otorgada a Orlandi, propone aplicar films holográficos directamente sobre módulos fotovoltaicos convencionales, de forma que se aproveche como radiación perpendicular al plano del módulo cualquiera incidente desde distintos ángulos. Este concepto, si bien muy comercializable por la escasa intromisión en el diseño original, no reduce 25 los factores del peso ni del coste de fabricación de los módulos actuales.

Ninguna de las anteriores invenciones tiene por objeto reducir el peso de los paneles, un factor importante tanto en el coste, como en la dificultad de montaje (lo cual también incide en el coste de la energía solar como concepto global) . La presente invención utiliza materiales 30 plásticos, ampliamente disponibles comercialmente, para la construcción de los paneles. Además, combina no sólo uno o dos, sino hasta tres elementos ópticos para la concentración, lo cual aumenta significativamente la colección del espectro solar. Y ello dentro de un coste de producción industrial incluso menor que los paneles convencionales actuales.

Explicación de la invención

El estudio de estado del arte delata que el gran problema sufrido en la implementación de la holografía en aplicaciones solares, tanto térmicas como fotovoltaicas, es la colección de la mayor parte del espectro solar posible. Ello se refiere tanto a la variación de ángulos de 40 incidencia a lo largo de las distintas estaciones anuales, como al amplio intervalo de longitudes de onda energéticamente significativas que es necesario recolectar.

En cuanto a longitudes de onda, para realizar una colección de una parte significativa del espectro solar, el holograma debería ser capaz de colectar al menos la región entre los 500 45 nanómetros (nm) y los 1.100 nm. Esta porción contiene el 70 por ciento de toda la energía del espectro solar. Más ideal sería, aún, colectar entre los 400 nm y los 1.200 nm, es decir, el 80 por ciento del total del espectro. Sin embargo, los hologramas actuales, especialmente los de reflexión, son capaces de colectar, por cada red de difracción, un máximo de 300 nm, y ello mediante procesos especiales. Por tanto, serán necesarias al menos dos redes de difracción 50 superpuestas, es decir, multiplexadas, para captar el mínimo del 70 por ciento exigido.

Pero además se tienen que colectar esas longitudes de onda a lo largo de todo el año, y desde la mañana hasta la tarde. Por lo general, en un amplio rango de latitudes terrestres, la variación anual de ángulos de incidencia de la luz solar se mantiene en aproximadamente 60º . Como se ve en la Figura 1, una superficie (1) inclinada a latitud recibirá en invierno la radiación (2) procedente de un ángulo bajo, mientras que en verano recibirá la radiación (3) en un ángulo más elevado. La radiación (4) en primavera y otoño se recibirá con un ángulo muy cercano a la perpendicular. La variación angular entre (2) y (3) son aproximadamente los 60º mencionados. 5 Los hologramas de reflexión son capaces de captar una variación máxima de ±15º , por lo que, en este caso, también son necesarias al menos dos redes de difracción multiplexadas. Junto con los requerimientos de longitud de onda, se necesitan...

1. Panel solar térmico o fotovoltaico caracterizado por estar compuesto por una base polimérica (12) que forma una o varias cavidades o estructuras unitarias 3D, una superficie altamente reflectante (10) recubriendo el interior de estas cavidades, un holograma (9) recubriendo a su vez la superficie altamente reflectante (10) , un receptor 5 de radiación, que o bien son tuberías (6) en el caso de panel solar térmico, o células solares fotovoltaicas (8) en el caso de módulo solar fotovoltaico, y un medio óptico transparente (11) con índice de refracción n similar al del material holográfico (9) y que recubre y sella el conjunto de la estructura unitaria 3D.

2. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que la base polimérica (12) , que puede ser extrusionada a partir de moldes, incluye en su forma todos los posibles anclajes a sistemas de montaje, así como extensiones adicionales, como las conformaciones para alojar los tubos colectores (13) en paneles solares térmicos, o los huecos necesarios para realizar cualquier tipo de interconexión eléctrica 15 entre las células solares (8) en módulos solares fotovoltaicos.

3. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que las unidades estructurales 3D de la base polimérica (12) están configuradas por un número variable de distintos planos o curvas (7) , con distinta inclinación entre sí. 20

4. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que la radiación solar incidente es capturada y dirigida hacia los receptores de radiación (6) u (8) , según los ángulos de incidencia, por un elemento óptico distinto: aproximadamente hasta 60º son capturados por el holograma (9) , que ha de ser diseñado 25 correspondientemente con las redes de difracción adecuadas; aproximadamente otros 40º son capturados por la superficie altamente reflectante (10) ; y, el resto, son reflejados dentro de la estructura unitaria 3D mediante reflexión Fresnel en la interfaz del medio (11) con el aire.

5. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que el holograma (9) está diseñado para difractar con ángulos de salida mayores que el ángulo crítico del medio (11) con el aire.

6. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que el 35 medio óptico transparente (11) , que también puede ser extrusionado a partir de moldes, tiene un ángulo de inclinación distinto, más abierto, al de los planos o curvas (7) , de forma que tanto la radiación difractada por el holograma (9) , como la reflejada por la superficie altamente reflectante (10) , se re-dirigen al medio (11) con un ángulo mayor que el ángulo crítico de este con aire, de modo que dicha radiación queda capturada 40 dentro del medio (11) por Reflexión Total Interna (TIR) .

7. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que tanto la base polimérica (12) como el medio óptico transparente (11) están realizados en materiales poliméricos resistentes al medio ambiente con una conductividad térmica baja 45 en el caso de paneles solares térmicos, y alta en el caso de los módulos solares fotovoltaicos, asegurando de este modo que se conserva y se disipa el calor por conducción, respectivamente.