BRPI0714924A2

BRPI0714924A2 - conjunto refletor, sistemas e mÉtodos para coleta de radiaÇço solar para geraÇço de eletricidade fotovoltaica

Info

Publication number: BRPI0714924A2
Application number: BRPI0714924-7A
Authority: BR
Inventors: James Christopher Clements; Charles Ross Evans; Daniel Constantine Gregory; Russell M Taylor
Original assignee: Megawatt Solar Llc
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2013-05-21
Also published as: AU2007277025A1; US7875796B2; WO2008013976A2; KR20090074724A; JP2009545186A; US20080023061A1; EP2061716A2; MX2009001097A; WO2008013976A3

Abstract

CONJUNTO REFLETOR, SISTEMAS E MÉTODOS PARA COLETA DE RADIAÇçO SOLAR PARA GERAÇÂO DE ELETRICIDADE FOTOVOLTAICA. É revelado um sistema de reflexo leve para a concentração de radiação solar no qual a óptica de reflexo é aproximadamente senoidal em seção transversal e é mantida nesse formato por contato mínimo com uma armação de suporte. O refletor pode ser uma folha retangular flexível deformada em uma calha genericamente senoidal por compressão entre suportes extremos fixos ou ajustáveis, O senóide pode ser ajustado para ser menor do que meio ciclo por torção aplicada em cada extremidade da folha flexível. Um filme refletivo, metal polido ou material similar na superfície refletora pode compreender luz solar ao longo de uma faixa difusa em vez de uma linha nítida, fornecendo níveis de concentração aperfeiçoados para células fotovoltaicas. Os refletores e suas armações de suporte podem ser montados individualmente ou separadamente em um dispositivo de rastreamento que maximiza saída de energia instantânea por orientar os coletores em direção ao sol.

Description

CONJUNTO REFLETOR, SISTEMAS E MÉTODOS PARA COLETA DE RADIAÇÃO SOLAR PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE FOTOVOLTAICA

PEDIDOS RELACIONADOS

O presente pedido reivindica o benefício do pedido de patente provisional US número de série 60/834.143, depositado em 28 de julho de 2006; cuja revelação é incorporada aqui a título de referência na íntegra. CAMPO TÉCNICO

A matéria descrita aqui se refere genericamente

ao campo de coleta e conversão de energia solar. Mais particularmente, a matéria descrita aqui se refere a conjuntos refletores, sistemas e métodos para coletar radiação solar para geração de eletricidade fotovoltaica. ANTECEDENTES

Células fotovoltaicas convertem energia solar em energia elétrica. Antes da invenção da célula fotovoltaica, entretanto, energia solar ainda era utilizada como fonte de calor para aquecer vários materiais. Por exemplo, energia solar pode ser utilizada para aquecer o fluido de trabalho em um aquecedor de água ou aquecer motor. Como o objetivo de sistemas de aquecimento solar é a transferência de energia térmica para um meio, refletores foram projetados para concentrar a radiação a partir da fonte de calor, tipicamente o sol, sobre o material sendo aquecido. Muitos desses refletores eram no formato de calha para obter um foco linear acentuado capaz de distribuir concentrações elevadas de energia térmica.

Após a invenção da célula fotovoltaica, os mesmos 3 0 refletores no formato de calha anteriormente utilizados para concentrar energia solar para aquecimento foram empregados com a intenção de concentrar luz sobre uma célula fotovoltaica para aumentar o desempenho da célula. As pessoas que adotaram inicialmente a tecnologia de coletor de calha falharam em reconhecer, entretanto, que células solares que convertem radiação quase infravermelha e visível (isto é, tendo um comprimento de onda menor do que 1 mícron) em eletricidade têm desempenho ótimo sob condições de irradiação muito diferentes daquelas exigidas para a coleta ótima de energia térmica. Especificamente, a carga de calor introduzida por focalizar uma imagem do sol sobre células solares de silício reduz sua eficiência. Além disso, a maioria das células solares produzidas em massa hoje é maior do que a imagem solar formada por focalizar refletores de comprimento focai prático. Como resultado, a capacidade das células fotovoltaicas de converter luz em eletricidade foi subutilizada porque a superfície inteira das células não era exposta à energia solar, e as porções que eram expostas recebiam essas cargas de calor

2 0 concentradas de modo a afetar a eficiência das células.

Algumas tentativas foram feitas em projetar um sistema refletor que utilize uma quantidade maior da área superficial de células solares atuais e reduz o efeito de drenagem de eficiência de cargas de calor elevadas. Por exemplo, foi observado que o deslocamento do receptor por uma distância fixa a partir do foco nítido de um refletor parabólico distribui a radiação solar, bem como a carga de calor resultante, sobre a superfície da célula.

Apesar desses desenvolvimentos, o posicionamento

3 0 de uma célula fotovoltaica com relação a um refletor de radiação solar é somente um fator que afeta o desempenho e desejo de um sistema de coleta de energia solar. Muitas outras considerações devem ser tratadas para produzir um sistema eficaz em termos de custo para a coleta e conversão de energia solar que pode ser prontamente produzido em massa. Por exemplo, tal consideração é o peso total do sistema. Os que põem em prática a técnica reconhecem que para um sistema de coleta solar de concentração ser eficaz, o sistema deve ser montado em um dispositivo que rastreia o som para manter uma concentração elevada de energia solar no receptor fotovoltaico. Quanto mais leve o sistema de coleta solar de concentração, menos suporte é exigido para transportar o sistema e menos energia é necessária para orientar o sistema com relação ao sol. Por conseguinte, é vantajoso minimizar o peso em movimento desses sistemas para poupar em custos de material para a estrutura de suporte e limitar perdas de energia associadas à energização do sistema de rastreamento.

Outros fatores que devem ser considerados ao 2 0 projetar um sistema de coleta de energia solar incluem facilidade de fabricação, custo de fabricação e durabilidade. Por exemplo, um sistema de coleta que requer moldagem por injeção ou usinagem precisa para construir um sistema refletor que aumenta a eficiência fotovoltaica pode não ser eficaz em termos de custo para produção em massa. Além disso, sistemas refletores que requerem vidro ou outros materiais frágeis podem ser inadequados para uso externo devido a vento em potencial ou outro dano.

À luz dos fatores que devem ser considerados ao criar um sistema de coleta solar de concentração, existe necessidade de conjuntos refletores, sistemas e métodos para coletar radiação solar para geração de eletricidade fotovoltaica. SUMÁRIO

A matéria descrita aqui inclui conjuntos

refletores, sistemas e métodos para coletar radiação solar para geração de eletricidade voltaica.

De acordo com um aspecto, a matéria revelada aqui inclui um conjunto refletor de energia solar incluindo uma placa flexível sendo refletiva em uma superfície. Suportes acoplados a extremidades opostas da placa flexível são fixados em uma armação em um vão menor do que a distância entre as extremidades opostas quando a placa flexível é não flexionada. Desse modo, a placa flexível é flexionada por compressão ao longo de uma dimensão perpendicular às extremidades acopladas aos suportes. Além disso, elementos de força de torção são acoplados às extremidades da placa flexível que são acopladas aos suportes. Os elementos de força de torção aplicam um torque às extremidades da placa flexível de modo que uma seção transversal da placa flexível forma uma curva substancialmente senoidal para produzir um reflexo pouco claro de uma fonte de radiação eletromagnética em uma distância predeterminada a partir da superfície reflexiva. Um suporte de conjunto fotovoltaico suporta um conjunto fotovoltaico na distância predeterminada a partir da superfície reflexiva de modo que a imagem pouco clara da fonte de radiação eletromagnética cobre uma porção substancial de uma superfície receptora do conjunto fotovoltaico. 3 0 De acordo com outro aspecto, a matéria revelada aqui inclui um sistema de coleta de energia solar de concentração para geração de eletricidade fotovoltaica tendo uma armação, suportes montados em extremidades opostas da armação, e uma placa flexível sendo refletida em uma superfície fixada em suas extremidades nos suportes. A distância entre as extremidades da placa flexível quando não flexionada é mais longa do que o vão entre os suportes de tal modo que a placa flexível é flexionada por compressão ao longo de uma dimensão perpendicular às extremidades acopladas aos suportes. Elementos de força de torção são acoplados às extremidades da placa flexível que são acopladas aos suportes. Os elementos de força de torção aplicam um torque às extremidades de modo que uma seção transversal da placa flexível forma uma curva substancialmente senoidal para produzir um reflexo pouco claro de uma fonte de radiação eletromagnética. Um suporte de conjunto fotovoltaico suporta um conjunto fotovoltaico na distância predeterminada a partir da superfície reflexiva de modo que a imagem pouco clara da fonte de radiação eletromagnética cobre uma porção substancial de uma superfície receptora do conjunto fotovoltaico. Um receptor que inclui um conjunto de dispositivos fotovoltaicos é acoplado ao suporte de conjunto fotovoltaico, o receptor convertendo radiação

eletromagnética em energia elétrica.

De acordo ainda com outro aspecto, a matéria revelada aqui inclui um método para construir um sistema de coleta de energia solar de concentração. Uma força compressiva é aplicada a extremidades opostas de uma placa flexível sendo refletiva em uma superfície. As extremidades opostas da placa flexível são fixadas em uma armação em um vão menor do que a distância entre as extremidades quando a placa flexível é não flexionada para suportar a força compressiva. Um torque é aplicado às extremidades de modo que uma seção transversal da placa flexível forma uma curva substancialmente senoidal para produzir um reflexo pouco claro de uma fonte de radiação em uma distância predeterminada a partir da superfície refletiva. Um coletor fotovoltaico é fixado à armação na distância predeterminada para receber o reflexo pouco claro da fonte de radiação. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As modalidades da matéria descrita aqui serão agora explicadas com referencia aos desenhos em anexo, dos quais:

A figura 1 é uma vista em perspectiva de uma

modalidade do presente tema;

As figuras 2a e 2b são uma vista em perspectiva e uma vista detalhada de um receptor fotovoltaico de acordo com uma modalidade do presente tema; A figura 3a é um gráfico do formato assumido por

uma placa fina quando comprimido a partir de suas extremidades;

A figura 3b é um diagrama que ilustra raios de luz refletidos a partir de um refletor formado de uma placa fina quando comprimida a partir de suas extremidades;

A figura 3c é um gráfico da concentração de energia de um espelho formado a partir de uma placa fina quando comprimida a partir de suas extremidades;

A figura 4a é um diagrama do formato assumido por 3 0 uma placa fina quando as extremidades da placa são submetidas tanto a uma força compressiva como um torque na direção de curvatura de acordo com uma modalidade do presente tema;

A figura 4b é um diagrama que ilustra raios de luz refletidos a partir de um refletor formado de uma placa fina quando as extremidades da placa são submetidas tanto a uma força compressiva como um torque na direção de curvatura, de acordo com,uma modalidade do presente tema;

A figura 4c é um gráfico da concentração de energia de um espelho formado a partir de uma placa fina quando as extremidades da placa são submetidas tanto a uma força compressiva como um torque na direção de curvatura;

A figura 5 é um gráfico comparando as concentrações de energia distribuídas por um espelho senoidal, um espelho parabólico, e um espelho de onda senoidal fracional;

As figuras 6a e 6b são vistas em seção transversal de uma modalidade de suportes para suportar um refletor de energia solar em que elementos de força de

2 0 torção são desengatados e engatados, respectivamente, para

aplicar torque às extremidades do refletor de energia solar de acordo com uma modalidade do tema descrito acima;

A figura 7a é uma vista em perspectiva de uma pluralidade de sistemas de coleta de energia solar montados em um píer firmemente montado; e

A figura 7b é uma vista em perspectiva de uma pluralidade de sistemas de coleta de energia solar montados em um sistema de rastreamento capaz de inclinar e girar os sistemas de coleta de energia solar.

3 0 DESCRIÇÃO DETALHADA Será feita agora referência era detalhe às possíveis modalidades do presente tema, um ou mais exemplos das quais são mostrados nas figuras. Cada exemplo é fornecido para explicar o tema e não como limitação. Na realidade, características ilustradas ou descritas como parte de uma modalidade podem ser utilizadas em outra modalidade para fornecer ainda uma modalidade adicional. Pretende-se que o presente tema cubra tais modificações e variações.

De acordo com uma norma prática empírica bem

conhecida (por exemplo, van Belle, Meinel, & Meinel, proc. SPIE, 5489, 563) empregada por projetistas de telescópio astronômico, o custo de um telescópio monolítico aumenta com diâmetro como:

C = D25

Onde C é custo e D é o diâmetro da óptica primaria. O expoente grande reflete a dificuldade de manter tolerâncias ópticas ã medida que o vão do espelho aumenta. Com base nessa lei, um conjunto de dispositivos de coleta

2 0 de luz pequenos é mais barato do que um único dispositivo

de coleta de luz grande. Entretanto, a lei é quebrada na extremidade de diâmetro pequeno quando o custo de partes individuais para de diminuir com o tamanho ou a mão-de-obra associada à montagem de partes aumenta. Essa quebra na

relação entre custo e tamanho é argumento para a produção de espelhos coletores com a escala menor que é comensurável à manipulação fácil durante produção em massa e instalação.

De modo semelhante, a escala de células fotovoltaicas é definida por preocupações de produção. O

3 0 equipamento de processamento que pode manipular pastilhas de semicondutor de seis polegadas é comum, como é o estoque necessário para produzir pastilhas desse tamanho. Consequentemente, vários fabricantes produzem células solares que têm aproximadamente cinco polegadas por cinco polegadas quando aparadas em suas dimensões finais. Entre essas células estão algumas que são capazes de operação quando irradiadas em 10 a 50 vezes o fluxo solar normal. Como resultado, muitos coletores no formato de calha que alimentam uma única linha de tais células são dimensionados entre 1,2 7 e 6,3 5 metros. As dimensões padrão de quadro indicador composto produzido em massa estão compreendidas nessa faixa e sugerem um projeto de coletor com base nessa tecnologia barata.

Por conseguinte, em um aspecto, o tema revelado prove uma óptica de reflexo leve que é facilmente manipulada durante produção em massa e instalação e que é bem adequada para uso com tamanhos padrão de células fotovoltaicas concentradoras. Especificamente, com referência à figura 1, um conjunto refletor de energia solar 100 é ilustrado como exemplo de um sistema coletor de radiação solar leve para geração de eletricidade fotovoltaica. Uma placa flexível 102 refletiva em uma superfície é acoplada em extremidades opostas a suportes 104 . Uma variedade de materiais pode ser utilizada para placa flexível 102, incluindo metal, polímero, papel, madeira, fibra de vidro, fibra de carvão, e compósitos ou combinações dos mesmos, incluindo compósitos corrugados ou outros compósitos incorporando espaços de ar.

Suportes 104 podem ser fixados em elementos 3 0 alongados 10 6 para formar uma armação para placa flexível 102 de tal modo que o vão entre os suportes 104 é menor do que o comprimento não flexionado (isto é, a dimensão perpendicular às extremidades acopladas aos suportes) da placa flexível 102. O vão entre suportes 104 pode ser fixo, ou pode ser ajustável para permitir a modificação da quantidade de compressão aplicada à placa flexível 102 e, portanto, para modificar a quantidade de flexão da placa flexível 102. A compressão de placa flexível 102 ao longo de seu comprimento, necessária para fixar a placa flexível 102 na armação definida por elementos alongados 106 faz com que a placa flexível 102 flexione (isto é, se deforme). Essa flexão por compressão resulta na placa flexível 102 tendo um formato genericamente senoidal (isto é, não parabólico) ao longo de uma seção transversal de seu comprimento (isto é, em um plano perpendicular às extremidades da placa flexível 102 acoplada aos suportes 104) .

Como resultado desse perfil curvo, radiação solar incidente na placa flexível 102 é refletida para uma superfície receptora de um receptor 112 para converter radiação eletromagnética (por exemplo, energia solar) em energia elétrica. 0 receptor 112 pode ser acoplado a um suporte de conjunto fotovoltaico 116 posicionado a uma distância predeterminada a partir da superfície refletiva da placa flexível 102 de tal modo que o reflexo de radiação solar a partir da placa flexível 102 produz um reflexo pouco claro da fonte de radiação eletromagnética (por exemplo, o sol) sobre a superfície receptora do receptor 112. O reflexo pouco claro de energia solar é espalhado através de uma porção substancial da superfície receptora para otimizar a operação do receptor 112 na conversão de energia solar em energia elétrica.

Em uma implementação, por exemplo, a placa flexível 102 pode ser uma folha flexível que tem aproximadamente quatro pés de largura por oito pés de comprimento que é comprimida em suas extremidades para se adaptar em uma armação que é pelo menos marginalmente menor do que a folha de oito pés (por exemplo, aproximadamente 94 polegadas de largura ou 2,3 9 metros). Em tal configuração, o receptor 112 pode ser então posicionado aproximadamente cinco pés (por exemplo, aproximadamente 61 polegadas ou 1,54 metros) acima da superfície refletiva da placa flexível 102 para coletar a radiação solar refletida.

A placa flexível 102 necessita somente ser sustentada em suas extremidades, porque a compressão por suportes 104 é tudo que é necessário para definir o formato substancialmente senoidal. Alternativamente, a placa flexível 102 pode ser acoplada à barra de suporte 110 de modo que o formato senoidal da placa flexível 102 pode ser mantido independente da orientação do sistema de coleta de radiação solar. Esse suporte adicional evita que o formato da placa flexível 102 seja deformado por forças externas, como gravidade ou cargas de vento. Por exemplo, se o sistema de coleta de radiação solar for configurado para 2 5 rastrear o sol à medida que se move através do céu para otimizar a eficácia do receptor 112, a gravidade poderia trabalhar para inclinar o perfil curvo da placa flexível 102 em direção a uma extremidade ou outra. Para evitar essa distorção, a barra de suporte 110 pode ser fixada na placa flexível 102 em um ou mais pontos para ajudar a manter a placa flexível 102 no formato definido pela compressão da placa flexível de montagem 102 na armação definida por elementos alongados 106.

O receptor 112 pode ser qualquer dispositivo fotovoltaico apropriado para converter radiação solar em energia elétrica. As figuras 2a e 2b ilustram uma implementação possível do receptor 112. Com referência à figura 2a, uma implementação possível para o receptor 112 é ilustrada em uma orientação voltada para cima de modo que a superfície receptora seja visível. 0 receptor 112 pode incluir um desenho laminado que incorpora várias camadas para otimizar a operação do receptor 112. Por exemplo, como ilustrado na figura 2b, o receptor 112 pode ser construído a partir de uma armação de alumínio 204 que retém um "sanduíche" incluindo uma placa de cobertura transparente 206 (por exemplo, vidro com baixo teor de ferro) , um encapsulante de polímero 208 que acopla opticamente a placa de cobertura 206 às células solares, um conjunto linear 210 consistindo em células fotovoltaicas concentradoras (por exemplo, nove células cada uma medindo 125 mm de largura, ou um múltiplo de peças cortadas a partir de nove células), um filme condutor de calor, porém eletricamente isolante 212, e um dissipador de calor 114. A placa de cobertura 206 pode incluir um revestimento anti-reflexivo que maximiza energia incidente no conjunto linear 210 e/ou um revestimento que rejeita comprimentos de onda de luz que estão fora da faixa de sensibilidade do conjunto linear 210. O conjunto linear 210 pode ser composto de qualquer de uma variedade de células fotovoltaicas como silício monocristalino, silício policristalino, silício amorfo, contato enterrado com entalhe a laser, contato traseiro, ou múltipla junção.

Com relação ao dissipador de calor 114, de acordo com outra norma prática, a área de superfície de dissipação de calor exigida para um sistema coletor operar eficientemente é aproximadamente igual à área de coleta. Desse modo, uma estrutura com aleta de alumínio extrusado ou dispositivo de aleta ligada como é mostrado nas figuras 1, 2a e 2b pode servir como dissipador de calor 114 para criar a área superficial necessária para dissipar a carga de calor eficazmente enquanto ocupa um espaço relativamente pequeno. Alternativamente, se a carga de calor a partir das células solares (por exemplo, conjunto linear 210) for acoplada a uma superfície de placa flexível 102, o custo e peso associados ao dissipador de calor 114 podem ser retirados. Por exemplo, o receptor 112 pode ser acoplado à superfície traseira da placa flexível 102 por um tubo de calor passivo que emprega metanol ou outro fluido de trabalho. Ainda em outras modalidades, o receptor 112 pode ser montado na superfície frontal da placa flexível 102, exigindo o uso de uma óptica secundária (por exemplo, espalho plano ou curvo) para orientar luz para as células solares. Independente da configuração específica, um fluxo de ar ou água forçado sobre o receptor 112 e/ou dissipador de calor 114 pode ser introduzido para auxiliar na dissipação de calor.

O formato operacional da placa flexível 102 ajuda a evitar o desenvolvimento de cargas de calor excessivas por distribuir a luz refletida sobre uma porção substancial da superfície do receptor 112. Um formato senoidal, como é definido pela compressão da placa flexível 102 descrita acima, é mais vantajoso do que a parábola comum mencionada por muitos projetos para concentradores solares. Essa vantagem é especialmente evidente em sistemas que empregam refletores de comprimento focai modesto (por exemplo, menos de 2 metros) e células solares de tamanho relativamente grande (por exemplo, maior do que 50 mm) . Refletores parabólicos são projetados para focar uma imagem refletida em um ponto único (ou linha para um refletor de calha) . Devido a esse desenho, há um descasamento entre o tamanho de imagem que seria formado por um refletor parabólico e o tamanho de células solares relativamente grandes.

Ao contrário, um espelho senoidal não tem um ponto focai único (ou linha focai) . Em vez disso, um espelho senoidal produz uma imagem embaçada. Como resultado, um espelho senoidal produz uma concentração de luz mais difusa do que a imagem nítida produzida por um formato parabólico. Além disso, um sistema coletor de radiação solar tendo tal formato tem uma vantagem em relação a outros dispositivos e métodos para criar um reflexo distribuído de energia solar em que permite ajuste do fator de concentração sem a necessidade de alterar a distância entre o refletor e o receptor.

Para criar um sistema coletor de radiação solar tendo um formato genericamente senoidal de modo a realizar as vantagens descritas acima, a matéria descrita aqui se baseia na propriedade de flexão natural de um elemento estrutural comprimido em sua extremidade. Uma folha de material com módulo de elasticidade e seção transversal, 3 0 uniformes, quando comprimida a partir das extremidades na ausência de outras forças, assumirá um formato genericamente senoidal, de acordo com a fórmula de carga de feixe Bernoulli-Euler bem conhecida. Desde que as extremidades da placa refletora curva estejam livres para girar, a profundidade de flexão é pequena em comparação com o comprimento da folha, e distorções devido à carga gravitacional são desprezíveis, o formato teórico da folha ao longo de sua dimensão curva é uma onda senoidal.

Esse formato pode ser demonstrado por considerar o momento de flexão de uma placa comprimida em suas extremidades com uma força Ρ. 0 momento de flexão M = P y é relacionado ao raio de curvatura Rc como M=-Y// Rc, onde Y é o módulo de Young da placa, / é o momento de inércia, e y é a deflexão da placa em uma dada distância χ a partir da extremidade da placa. Para deflexões pequenas, o segundo derivado da deflexão é o recíproco do raio de curvatura, fornecendo a Equação Euler:

20

25

d2y P_ dx1 + YI

2 =

A solução para essa equação é como a seguir:

, · í fp x y~A9a\Wix

+ ScoJ J— χ \VJ7 j

A aplicação da condição de limite de que as extremidades (x = 0, L) não têm deflexão (porém são livres para girar) elimina a solução de co-seno que fornece a seguinte relação:

, · í Pr 1

[In )

Como resultado, o formato da placa curva é um meio ciclo de uma onda senoidal como mostrado na figura 3a. A figura 3b mostra, entretanto, que uma óptica desse formato pode produzir uma imagem que é demasiadamente difusa para algumas aplicações. Como pode ser visto na figura 3b, uma superfície receptora relativamente grande (isto é, muito maior do que a superfície receptora representada) seria necessária para capturar toda energia refletida a partir da placa curva tendo esse formato. Visto de outro modo, com referência à figura 3c, um refletor curvo no formato de um meio ciclo de uma onda senoidal não produz uma densidade de fluxo grande de modo a maximizar eficiência fotovoltaica.

Se, entretanto, as extremidades da placa curva forem também submetidas a torques iguais, porém opostos na mesma direção que a curvatura induzida, então o formato da placa curva no limite de deflexão pequeno se torna um segmento menor do que metade de um ciclo de uma onda senoidal. Por exemplo, a figura 4a é uma representação de uma seção transversal de placa flexível 102 a partir da figura 1. Quando as extremidades da placa flexível 102, fixadas em suportes 104 são livres para girar, são pontos de inflexão com curvatura zero. A aplicação de um torque nas extremidades introduz uma curvatura, e move os pontos de inflexão para extremidades virtuais 404 além da extremidade de placa flexível 102. Visto de outro modo, se

2 5 uma placa mais longa fosse montada com suas extremidades

nos locais de extremidades virtuais 4 04, e então a placa longa fosse segura em pontos que correspondem às posições de suportes 104 sem perturbar o formato senoidal da placa longa, seções virtuais de corte 406 da folha produziriam um

3 0 segmento a menos do que metade de um ciclo de uma onda senoidal. 0 que permaneceria é uma fração de uma senóide que requer torque em suas extremidades para manter seu formato. Por exemplo, a fração utilizada nas figuras 4a até 4c é 0,11857 de um período inteiro (compare com 0,5 de um período inteiro para o espelho articulado em suas extremidades sem torque). Como mostrado na figura 4b, essa configuração produz uma imagem difusa que é menor do que aquela de uma configuração de metade de onda senoidal, porém ainda maior do que uma distribuição parabólica, tornando apropriado para tamanhos comuns de células fotovoltaicas (por exemplo, 125 mm) . Como mostrado na figura 4c, esse formato produz um fluxo de energia relativamente mais elevado através da superfície receptor do que um meio ciclo de uma onda senoidal. Com referência à figura 5, a iluminação fornecida

pelo formato do refletor de concentração solar descrito pela presente matéria é comparada com aquela de uma parábola perfeita e um meio ciclo de onda senoidal. A superfície receptora solar (por exemplo, células fotovoltaicas) da matéria revelada intercepta luz através de uma largura linear de 0,125 m, que é mais estreita do que a distribuição de luz formada pelo meio ciclo de onda senoidal. Inversamente, um refletor no formato parabólico faria uma linha focai demasiadamente estreita, ocasionando aquecimento local e dissipação Ôhmica mais elevada, reduzindo a eficiência dos dispositivos fotovoltaicos. Como pode ser visto por essa comparação, um refletor solar tendo um perfil genericamente no formato de uma onda senoidal fracional pode concentrar eficazmente radiação solar 3 0 incidente sobre uma superfície mais larga do que um refletor parabólico, porém com um fluxo relativo maior do que um refletor de meia onda senoidal. Desse modo, tal formato provê um equilíbrio entre concentração da energia solar para maximizar a saída das células fotovoltaicas e difusão de luz para evitar degradação da eficiência das células fotovoltaicas.

Por conseguinte, com referência novamente à figura 1, os elementos de força de torção 108 podem ser fornecidos para modificar o formato da placa flexível 102.

Elementos de força de torção 108 podem aplicar um torque às extremidades de placa flexível 102 de modo que forma uma curva substancialmente senoidal, ou, mais particularmente, uma curva que é menor do que meio ciclo de uma onda senoidal. Por exemplo, elementos de força de torção 108

podem incluir fixadores para acoplar as extremidades da placa flexível 102 a suportes 104 que são giratórios na armação definida por elementos alongados 106. Nesse aspecto, os suportes 104 podem ser girados em um ângulo que aplica a quantidade desejada de torque às extremidades da

placa flexível 102. Após o ângulo ser definido, os fixadores podem ser aplicados para travar as extremidades da placa flexível 102 no lugar. Tal configuração pode envolver uma alavanca e grampo, catraca e garra, alavanca e parafuso manualmente ajustável ou chave e fenda orientada

2 5 de forma ótima.

Alternativamente, os suportes 104 podem ser seguros de forma fixa à armação em um ângulo específico. O ângulo flexível pode ser projetado para transmitir um torque na placa flexível 102 de modo a criar um formato

3 0 desejado. Nessa alternativa, os elementos de força de torção 108 podem incluir um elemento inclinado definindo a condição extrema para a placa flexível 102 e um elemento de travamento para alinhar as extremidades da placa flexível 102 com o elemento inclinado e fixar as extremidades no lugar. Como ilustrado na figura 6a, as extremidades da placa flexível 102 são posicionadas entre o elemento inclinado de ângulo fixo e o elemento de travamento. Um fixador (por exemplo, parafuso, grampo) pressiona o elemento de travamento contra a placa flexível 102, forçando a placa flexível 102 a alinhar-se com o elemento inclinado. Além disso, como ilustrado na figura 6b, se um parafuso for utilizado para pressionar o elemento de travamento contra a placa flexível 102, a abertura no elemento inclinado através da qual o parafuso passa, pode ser alongada para considerar a rotação do fixador à medida que é fixado e o movimento lateral da folha ao longo do elemento angular.

Em qualquer configuração, elementos de força de torção 108 podem ser configurados para permitir que as extremidades da placa flexível 102 girar ao longo de suportes 104 até que os elementos de força de torção 108 estejam totalmente engatados e o torque desejado seja fixo. Em outras palavras, à medida que o ângulo no qual as extremidades da placa flexível 102 são acopladas a suportes 104 é alterado, devido ao comprimento fixo da placa flexível 102, cada extremidade da placa flexível 102 tem tendência a deslizar para dentro (por exemplo, em direção à extremidade oposta) para manter a curvatura natural associada à condição extrema definida. De outro modo, força de torção as extremidades da placa flexível 102 aplicaria de forma eficaz uma força de tração que evitaria que a placa flexível 102 obtivesse um formato de onda senoidal fracional. Por permitir que esse deslizamento ocorra, o formato da placa flexível 102 é definido pelas condições extremas definidas por elementos de força de torção 108 e não por estiramento da placa flexível 102 entre os suportes 104 .

Além disso, o desenho de suportes 104 e elementos de força de torção 108 pode ser tal que a placa flexível 102 pode ser facilmente removida para limpeza, reparo ou substituição, e pode ser retornada a sua posição anterior com a torção anteriormente aplicada em suas extremidades. Além disso, elementos de força de torção 108 podem ser configurados de tal modo que não lance uma sombra sobre a placa flexível 102, e desse modo não prejudiquem a eficácia do sistema de coleta de radiação solar.

Em um exemplo específico do conjunto refletor de energia solar descrito acima, a placa flexível 102 pode ser um compósito de policarbonato com folhas de face de alumínio medindo 4 mm de espessura, 96 polegadas (2,4 metros) na dimensão curva, e 48 polegadas (1,22 metros) na dimensão perpendicular. Essas dimensões são um tamanho padrão para quadro indicador produzido em massa, e como resultado, os materiais para esse componente são amplamente disponíveis. Por exemplo, o produto vendido nesse tamanho sob o nome comercial Dibond tem rigidez suficiente para manter figura óptica adequada quando montado como descrito a seguir para servir como placa flexível 102.

Uma folha padrão de 4 pés (1,22 metros) χ 8 pés (2,4 metros), 4 mm Dibond pode ser polida em uma das superfícies de alumínio até ter um acabamento especular. Alternativamente, um filme refletor como o filme refletor espectral aumentado (ESR) vendido por 3M Corporation de St. Paul, Minnesota, pode ser afixado na placa flexível 102, ou placa flexível 102 pode ser dotada de algum outro revestimento reflexivo. Além disso, a placa flexível 102 pode ser revestida com uma camada de proteção clara (por exemplo, revestimento de poliuretano) para evitar corrosão e/ou oxidação da superfície reflexiva subjacente. Duas barras rígidas servindo como suportes 104 podem ser montadas em cada extremidade da placa flexível 102 para comprimir a placa flexível 102 a partir de suas extremidades até curvar para se adaptar em uma armação pré- construída. Na modalidade representada na figura 1, suportes 104 podem ser livres para girar em torno de seus eixos geométricos até que sejam apertadas as porcas de travamento (isto é, fixadores) servindo como elementos de força de torção 108. A barra de suporte 110 pode ser fixada na placa flexível 102 ao longo de uma única linha através

2 0 de seu centro de tal modo que não perturbe o formato

natural da placa flexível 102, definido pela compressão pela armação e torção por elementos de força de torção 108. O uso da barra de suporte 110 pode servir para neutralizar os efeitos de alteração de cargas gravitacionais à medida que a placa é girada em torno de um ou mais eixos geométricos (por exemplo, rotação para seguir o movimento diurno do sol) . 0 receptor 112 está voltado para baixo nessa modalidade, para coletar radiação refletida a partir da superfície reflexiva curva da placa flexível 102.

3 0 Nesse exemplo específico representado na figura 1, um torque pode ser aplicado aos suportes 104 até que a placa flexível 102 assuma um formato senoidal tendo a fração de onda desejada. Os suportes 104 podem ser então travados nessa orientação por engate dos elementos de força de torção 108 (por exemplo, apertar um fixador). Subseqüentemente, a barra de suporte 110 pode ser posicionada para apenas tocar o centro da placa flexível 102 enquanto a armação está em uma orientação horizontal. A barra de suporte 110 pode ser então fixada na placa flexível 102 com fixadores ao longo da linha na qual os elementos se contatam mutuamente.

Em uma modalidade alternativa, um espelho de espuma leve pode servir como placa flexível 102. Para moldar tal espelho de espuma leve para ter o perfil senoidal desejado, um molde retangular pode ser fornecido tendo um fundo que consiste em uma folha de material flexível (por exemplo, Dibond) flexionado em um formato o inverso da configuração mostrada na figura 1 (isto é, curva senoidal côncava voltada para baixo). O molde pode ser 2 0 cheio de espuma expansível, como poliuretano ou poliestireno, para produzir um espelho barato, leve, tendo um formato genericamente senoidal como foi descrito acima.

Em outro aspecto, a matéria revelada provê um conjunto de coletores de radiação solar leves para a concentração e conversão de radiação solar em energia elétrica. Com referência às figuras 7a e 7b, uma pluralidade de conjuntos~de coleta 100 é montada em um píer firmemente montado ou sistema de rastreamento 602. Os conjuntos de coleta 100 podem ser capazes de girar juntos tanto de forma azimutal como em elevação, acionados por motores sob controle eletrônico. 0 sistema de rastreamento ou pier montado firmemente 6 02 pode ser alto o bastante (por exemplo, cabeça de acionamento assentada 10-12 pés acima do solo) para permitir uma ampla faixa de movimento para a pluralidade de conjuntos de coleta 100. 0 sistema de controle de computador pode receber realimentação na forma de níveis de geração de energia e pode, portanto, ser capaz de otimizar rastreamento solar para maximizar a produção de energia instantânea.

Além disso, a matéria descrita aqui pode incluir

um sistema de controle que altera a fração do senóide assumido pela placa flexível 102 para manter uma distribuição ótima de energia através da superfície receptora do receptor 112. Alternativamente, a posição do

receptor 112 pode ser ajustada em relação à placa flexível 102 para otimizar a energia de saída do conjunto de dispositivos fotovoltaicos. Em um exemplo, energia instantânea a partir do receptor 112 pode ser entrada em uma unidade de controle eletrônico, que aciona os motores

2 0 para flexionar a placa flexível 102 para o formato desejado

a fim de manter uma distribuição de energia ótima. Por incluir uma medição da energia instantânea a partir do receptor 112 para uma unidade de controle eletrônico, e por acionar os motores a partir dessa mesma unidade de controle

eletrônico, é possível fornecer continuamente torque quase ótimo para o sistema. Essa configuração pode manter a fração ótima de uma onda senoidal durante todo o tempo.

Um modo para implementar tal configuração pode ser o uso de controle programático de computador. 0

3 0 programa pode variar o torque para cima e para baixo em um período especificado (por exemplo, 1 Hz) . Por exemplo, o valor máximo a partir de cada varredura pode ser selecionado como o novo torque ótimo. Em uma abordagem alternativa que seria menos sensível a ruído e eventos externos (por exemplo, variação de cobertura de nuvem, vento), o componente de variação no sinal que corresponde à freqüência de acionamento pode ser extraído. Por exemplo, o procedimento pode envolver executar uma transformação Fourier do sinal, zerar os componentes distantes da freqüência de acionamento utilizando uma função de enquadramento apropriada, e então executar a transformação Fourier inversa no sinal filtrado.

Ainda em outro aspecto, a matéria revelada provê um método para construir um sistema de coleta de energia solar de concentração no qual uma força compressiva é aplicada em extremidades opostas de uma placa flexível sendo reflexiva em uma superfície. As extremidades opostas da placa flexível podem ser fixadas em uma armação em um vão menor do que uma distância entre as extremidades quando a placa flexível é não flexionada. Essa fixação da placa flexível à armação sustenta a força compressiva aplicada. Um torque pode ser aplicado às extremidades de modo que uma seção transversal da placa flexível forma uma curva substancialmente senoidal para produzir um reflexo pouco claro de uma fonte de radiação em uma distância predeterminada a partir da superfície reflexiva. Um coletor fotovoltaico pode ser então fixado à armação na distância predeterminada para receber o reflexo pouco claro da fonte de radiação. Um dissipador de calor pode ser fixado em 3 0 comunicação com o coletor fotovoltaico para dissipar calor a partir do coletor fotovoltaico.

A etapa de fixàr a placa flexível à armação pode abranger acoplar suportes às extremidades opostas da placa flexível e acoplar os suportes à armação. Se suportes forem fornecidos, a etapa de aplicar um torque pode envolver girar os suportes para definir um ângulo no qual cada extremidade da placa flexível é fixada à armação e travar os suportes no ângulo. Alternativamente, a etapa de aplicar um torque pode envolver tais fixadores para fixar as extremidades da placa flexível aos suportes em um ângulo definido pelos suportes e permitir que a placa flexível gire ao longo dos suportes à medida que os fixadores são apertados. Como resultado de qualquer uma dessas alternativas, a seção transversal da placa flexível forma uma curva menor do que meio ciclo de uma onda senoidal.

Será entendido que vários detalhes da matéria atualmente revelada podem ser alterados sem se afastar do escopo da matéria atualmente revelada. Além disso, a descrição acima é para fins de ilustração somente, e não para fins de limitação.

Claims

1. Conjunto refletor de energia solar, caracterizado por compreender: (a) uma placa flexível sendo reflexiva em uma superfície; (b) suportes acoplados a extremidades opostas da placa flexível; (c) uma armação que prende os suportes em um vão menor do que uma distância entre as extremidades opostas quando a placa flexível é não flexionada, pelo que a placa flexível é flexionada por compressão ao longo de uma dimensão perpendicular às extremidades acopladas aos suportes; (d) elementos de força de torção acoplados às extremidades da placa flexível que são acoplados aos suportes para aplicar um torque às extremidades de modo que uma seção transversal da placa flexível forma uma curva substancialmente senoidal para produzir um reflexo pouco claro de uma fonte de radiação eletromagnética em uma distância predeterminada a partir da superfície reflexiva; e (e) um suporte de conjunto fotovoltaico para sustentar um conjunto fotovoltaico na distância predeterminada a partir da superfície reflexiva de modo que a imagem pouco clara da fonte de radiação eletromagnética cobre uma porção substância de uma superfície receptora do conjunto fotovoltaico.

2. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vão entre os suportes é ajustável de tal modo que a flexão da placa flexível pode ser alterada.

3. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a curva é não parabólica.

4. Conjunto, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a curva é senoidal e os elementos de força de torção aplicam tal torque que a curva é menor do que meio ciclo de uma onda senoidal.

5. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os elementos de força de torção compreendem individualmente um elemento de inclinação para girar o suporte para definir um ângulo no qual a extremidade da placa flexível é acoplada na armação e um elemento de travamento para fixar o suporte no ângulo definido pelo elemento de inclinação.

6. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os elementos de força de torção compreendem, individualmente, um fixador para acoplar a extremidade da placa flexível ao suporte onde a placa flexível é livre para girar ao longo do suporte à medida que o fixador é apertado.

7. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a chapa flexível é acoplada à armação somente em suas extremidades.

8. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a chapa flexível é sustentada na armação em ou mais locais de tal modo que o formato da placa flexível definido pela compressão pela armação e torção pelos elementos de força de torção não é alterado por forças externas a partir do conjunto.

9. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os elementos de força de torção são posicionados para evitar sombra da placa reflexiva com relação ã fonte de radiação eletromagnética.

10. Sistema de coleta de energia solar de concentração para geração de eletricidade fotovoltaica, caracterizado por compreender: (a) uma armação; (b) suportes montados em extremidades opostas da armação; (c) uma placa flexível sendo reflexiva em uma superfície fixada em suas extremidades aos suportes, a distância entre as extremidades da placa flexível quando não flexionada sendo mais longa do que o vão entre os suportes de tal modo que a placa flexível é flexionada por compressão ao longo de uma dimensão perpendicular às extremidades acopladas aos suportes; (d) elementos de força de torção acoplados às extremidades da placa flexível que são acoplados aos suportes para aplicar um torque às extremidades de modo que uma seção transversal da placa flexível forma uma curva substancialmente senoidal para produzir um reflexo pouco claro de uma fonte de radiação eletromagnética; (e) um suporte de conjunto fotovoltaico para sustentar um conjunto fotovoltaico na distância predeterminada a partir da superfície reflexiva de modo que a imagem pouco clara da fonte de radiação eletromagnética cobre uma porção substancial de uma superfície receptora do conjunto fotovoltaico; e (f) um receptor incluindo um conjunto de dispositivos fotovoltaicos acoplados ao suporte de conjunto fotovoltaico, o receptor convertendo radiação eletromagnética em energia elétrica.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a curva é senoidal e os elementos de força de torção aplicam tal torque que a curva é menor do que meio ciclo de uma onda senoidal.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a posição do receptor em relação à placa flexível é ajustável para otimizar a energia de saída do conjunto de dispositivos fotovoltaicos.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender ainda um dissipador de calor para dissipar calor a partir do receptor.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os dispositivos fotovoltaicos compreendem células solares.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os elementos de força de torção são posicionados para evitar sombra da placa reflexiva com relação à fonte de radiação eletromagnética.

16. Método para construir um sistema de coleta de energia solar de concentração, o método sendo caracterizado por compreender: (a) aplicar uma força compressiva em extremidades opostas de uma placa flexível sendo reflexiva em uma superfície; (b) fixar as extremidades opostas da placa flexível em uma armação em um vão menor do que uma distância entre as extremidades quando a placa flexível é não flexionada para suportar a força compressiva; (c) aplicar um torgue às extremidades de modo que uma seção transversal da placa flexível forma uma curva substancialmente senoidal para produzir um reflexo pouco claro de uma fonte de radiação em uma distância predeterminada a partir da superfície reflexiva; e (d) fixar um coletor fotovoltaico à armação na distância predeterminada para receber o reflexo pouco claro da fonte de radiação.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a fixação da placa flexível em uma armação compreende acoplar suportes às extremidades opostas da placa flexível e acoplar os suportes à armação.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a aplicação de um torque compreende girar os suportes para definir um ângulo no qual cada extremidade da placa flexível é fixada à armação e travar os suportes no ângulo, pelo que a seção transversal da placa flexível forma uma curva menor do que meio ciclo de uma onda senoidal.

19. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a aplicação de um torque compreende utilizar fixadores para fixar as extremidades da placa flexível aos suportes em um ângulo definido pelos suportes e permitir que a placa flexível gire ao longo dos suportes à medida que os fixadores são apertados, pelo que a seção transversal da placa flexível forma uma curva menor do que meio ciclo de uma onda senoidal.

20. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por compreender ainda fixar um dissipador de calor em comunicação com um coletor fotovoltaico para dissipar calor a partir do coletor fotovoltaico.