ES2553420T3 - Concentrador fotovoltaico con lente óptica escalonada y procedimiento para diseñar el mismo - Google Patents

Abstract

Un concentrador solar (40) que comprende: al menos una célula solar (42) que comprende una superficie delantera, y un sistema óptico que concentra la radiación solar hacia la célula solar, comprendiendo el sistema una lente óptica escalonada (41; 20; 100; 110) que tiene una superficie delantera (21; 105) para recibir la radiación solar y una superficie trasera opuesta (22; 106) enfrente de la superficie delantera de la célula solar, teniendo la superficie trasera un perfil escalonado que define una pluralidad de estructuras escalonadas (46; 24; 102; 116, 117), en el que: cada estructura escalonada, en un plano transversal de la lente, tiene una forma de dientes de sierra y está formada por una faceta en pendiente (29; 66; 93) y una faceta de despulla (28; 67; 94), teniendo las facetas en pendiente y de despulla inclinaciones diferentes, estando cada estructura escalonada caracterizada por un paso (P), en el que la faceta en pendiente se extiende por una primera longitud en el plano transversal y la faceta de despulla se extiende por una segunda longitud en el plano transversal; la superficie delantera de la lente comprende una pluralidad de elementos convergentes lenticulares contiguos (47; 23; 101; 113, 118), teniendo cada elemento lenticular un primer y un segundo borde periférico y una anchura (wL) que se extiende entre el primer y el segundo bordes periféricos; cada elemento lenticular está situado opuesto a una estructura escalonada correspondiente, correspondiendo el número de la pluralidad de elementos lenticulares al número de la pluralidad de estructuras escalonadas, y cada elemento lenticular tiene una superficie convexa hacia el exterior en el plano transversal y una anchura igual al paso de la estructura escalonada correspondiente.

Description

DESCRIPCION

Concentrador fotovoltaico con lente optica escalonada y procedimiento para disenar el mismo

5 [0001] La presente invention se refiere a un concentrador solar que comprende una lente optica que tiene un perfil escalonado para hacer converger la radiation. La invencion tambien se refiere a una lente optica que tiene un perfil escalonado.

[0002] El desarrollo de las celulas fotovoltaicas (o solares) para generation de energla electrica a menudo ha 10 sido adaptado para proporcionar soluciones rentables. El coste de las celulas solares generalmente ocupa una parte

significativa del coste de los componentes de los modulos de conversion de energla solar. La cantidad de energla electrica generada por la celula solar esta relacionada directamente con la cantidad de energla solar que absorbe la celula, la cual esta basada a su vez en el tamano o area superficial de la celula y la intensidad o brillo de la luz solar que da en la celula, as! como en la eficiencia de conversion de la celula solar. Por lo tanto, aumentar el tamano de 15 una celula solar puede acabar siendo una manera relativamente cara de aumentar la energla electrica producida por la celula.

[0003] Para reducir costes, es deseable aumentar las eficiencias de las celulas solares en tanto que minimizando el uso de materiales y tecnicas de fabrication costosos. Una manera prometedora para conseguir esto

20 es con sistemas concentradores, donde un elemento optico que cubre un area relativamente grande iluminada por el sol se usa para concentrar enormemente la luz sobre una celula solar relativamente pequena, reduciendo as! enormemente el tamano de la celula requerida. Con este fin, se han usado lentes Fresnel ya que en general son mas delgadas, tienen menor peso y una distancia focal mas pequena que las lentes estandar mas gruesas.

25 [0004] Sin embargo, una limitation importante de los sistemas concentradores es la necesidad de mantener el eje optico de las lentes normal al sol. El uso de tales concentradores en la practica requiere un sistema de seguimiento solar que mantenga la optica de captation alineada con el sol a medida que se desplaza a traves del cielo.

30 [0005] La solicitud de patente de EE.UU. N° 2005/0092360 desvela un concentrador optico para una celula solar que emplea un elemento de lente Fresnel montado sobre una celula solar para enfocar la luz solar sobre la superficie de la celula solar cuando el concentrador esta alineado con el sol y un elemento concentrador secundario no para formation de imagenes montado intermedio entre la lente Fresnel y la celula solar para redirigir la luz solar procedente de la lente incluyendo los rayos marginales sobre la superficie de la celula solar dentro de la periferia del 35 area activa de la celula cuando el concentrador esta desalineado un angulo predeterminado.

[0006] La solicitud de patente de EE.UU. N° 2003/0075212 describe un diseno de modulo de conjunto fotovoltaico con una lente Fresnel como primer concentrador optico y un concentrador parabolico compuesto dispuesto debajo de la lente Fresnel como segundo concentrador optico.

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[0007] Para la concentration de energla solar, se han desarrollado dispositivos opticos convergentes que usan reflexion interna total (TIR), en los cuales los elementos opticos convergentes emplean solo TIR o conjuntamente con refraction.

45 [0008] La patente de EE.UU. N° 4.337.759 describe un sistema de redirection de energla radiante que comprende medios de cuerpo de transmision de energla radiante con elementos que usan solo reflexion interna total o conjuntamente con refraccion.

[0009] La solicitud de patente de EE.UU. N° 2008/0092879 desvela un dispositivo de concentracion o 50 colimacion no para formacion de imagenes compuesto de dos lentes asfericas. La primera lente tiene una superficie refringente asferica superior y una superficie inferior que consiste en una superficie asferica en su parte central y en una estructura con pendiente discontinua en su parte externa. La segunda lente rodea un receptor y consiste en una superficie refringente asferica.

55 [0010] La patente de EE.UU. N° 4.867.514 desvela un sistema optico para desviar o cambiar la direction de, y opcionalmente hacer converger la radiacion tal como la radiacion solar. El sistema tiene un primer plano y un segundo plano, donde el segundo plano es movil lateralmente con respecto al primer plano. En una realization, los elementos opticos del segundo plano son lentes negativas de frente de onda interrumpido (Fresnel). Se dice que las aberraciones esfericas se minimizan usando elementos opticos de curvatura no uniforme.

[0011] En general, se han usado lentes Fresnel desde hace mucho tiempo para muchas aplicaciones aparte de la generacion de energla solar.

5 [0012] La patente de EE.UU. N° 3.883.733 se refiere a una lente de advertencia para concentrar la intensidad de una fuente luminosa situada detras de la lente a lo largo de la llnea central de la lente. La lente que proporciona transmision direccional de la luz que pasa a traves es una seccion de pared delgada de una carcasa esferica que tiene una pluralidad de lentes convexas cuadradas asfericas colindantes en el lado convexo de la misma. El lado concavo tiene una pluralidad de lentes triangulares concentricas que tienen ciertas dimensiones predeterminadas tal 10 como se expone en una tabla.

[0013] El uso de lentes construidas de material polimerico simplifica la fabricacion de las lentes, ya que tales lentes pueden fabricarse facilmente en produccion en masa mediante moldeo, posibilitando as! la reduccion de costes. Ademas, emplear lentes polimericas reduce el peso del elemento optico resultante.

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[0014] Las lentes Fresnel de tipo general estan provistas normalmente de una primera cara y una segunda cara opuesta formada con una serie de estructuras escalonadas que tienen una forma de dientes de sierra en un plano transversal. Se ha observado que la calidad optica de las lentes Fresnel depende de la forma de dichos dientes, y en particular de las facetas de despulla entre las partes refringentes de dos dientes consecutivos. En las lentes

20 refringentes, las facetas de despulla no realizan funciones opticas y deberlan interferir lo menos posible con el camino de la luz. Idealmente, las facetas de despulla deberlan extenderse sustancialmente paralelas a la direccion del haz luminoso transmitido a traves de la lente. Sin embargo, el uso de tecnicas de moldeo implica limitaciones de diseno para facilitar la extraction de la lente del molde y las facetas de despulla resultantes pueden no presentar un frente pronunciado.

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[0015] La solicitud de patente EP N° 0117254 desvela una lente Fresnel que comprende una pluralidad de dientes, teniendo cada uno de dichos dientes una parte eficaz para refractar los rayos de luz sobre un foco y una pendiente o flanco de conexion a la parte refringente de un diente adyacente, en el que el angulo incluido entre dicha parte refringente y dicha pendiente o flanco de conexion es inferior a 90°, y los dientes estan dispuestos de tal modo que

30 siguen un patron en espiral.

[0016] Cuando se selecciona un procedimiento de fabricacion para la produccion de una lente Fresnel, y en general para una lente con un perfil escalonado, en general han de hacerse varias consideraciones, tales como la fidelidad de reproduction (es decir, la definition de caracterlsticas) y el coste del procedimiento por elemento optico

35 unitario. Las tecnicas de fabricacion tlpicas para producir lentes Fresnel polimericas son el moldeo por inyeccion o el moldeo por compresion (a presion atmosferica o en vaclo) o el estampado en caliente. El moldeo por compresion puede producir una lente con caracterlsticas agudas, pero tiene un tiempo de ciclo prolongado, lo cual a menudo afecta al coste por pieza. El moldeo por inyeccion y el estampado en caliente tienen un tiempo de ciclo relativamente corto, pero la fidelidad de reproduccion es en general inferior a la obtenida mediante moldeo por compresion.

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[0017] Cuando la definicion de caracterlsticas de una lente obtenida mediante moldeo no es aceptable para una aplicacion particular, puede usarse acabado superficial mediante el uso de herramientas de corte, como mediante conformado con una herramienta de diamante. Sin embargo, el micromecanizado de precision aumenta significativamente los costes de fabricacion, y por lo tanto puede no ser deseable para produccion de lentes a gran

45 escala, por ejemplo para usarse en concentradores solares.

[0018] En el documento “Plastics Structured Optics for Solar Concentrators in PV System” de C. Privato y col., publicado en las actas de la International Solar Concentration Conference for the Generation of Electricity and Hydrogen (TCSC-3), 1-5 de mayo de 2005, Scottsdale, Arizona, EE.UU., se han investigado algunos parametros

50 crlticos del procedimiento de fabricacion con el fin de mejorar la relation de aspecto y la calidad optica de las lentes escalonadas moldeadas.

[0019] La presente invention comprende una lente optica escalonada que tiene una superficie delantera y una superficie trasera, en la que la superficie trasera comprende una pluralidad de estructuras escalonadas, estando

55 formada cada estructura escalonada por una faceta en pendiente y una faceta de despulla, teniendo las facetas en pendiente y de despulla inclinaciones diferentes.

[0020] Los inventores se han dado cuenta de que si se impide que la radiation que incide sobre la lente de en las partes de la superficie trasera que corresponde a las regiones no opticas de las estructuras escalonadas, la

eficiencia optica de la lente no se vera afectada por la forma de las regiones no opticas, por ejemplo la no verticalidad de las facetas de despulla y/o la redondez de las estructuras escalonadas, y de este modo por la posible falta de definition de tales regiones.

5 [0021] Los inventores han comprendido que proporcionando una lente concentradora que comprende una superficie trasera con un perfil escalonado con una superficie delantera que esta configurada para “prefocalizar” la radiation incidente principalmente solo sobre las partes de la superficie trasera que contribuyen a la convergencia de la radiacion, la eficiencia optica de la lente aumenta significativamente. Han descubierto que proveyendo a la superficie delantera de una lente escalonada refringente de una pluralidad de elementos lenticulares convergentes, 10 estando situado cada elemento opuesto a una estructura escalonada respectiva, es posible hacer converger la radiacion incidente sustancialmente sobre las facetas en pendiente de las estructuras escalonadas.

[0022] Los inventores han descubierto que la solution tecnica segun un primer aspecto de la invention tambien es adecuada para una lente optica escalonada que usa reflexion interna total (TIR), sola o en combination con

15 refraction. Especlficamente, empleando prefocalizacion sobre la superficie delantera de la lente, los rayos incidentes pueden salir de la superficie trasera en una region dentro de una faceta de despulla que no incluye la cresta y el valle de la faceta, minimizando as! los efectos de la posible redondez.

[0023] La presente invencion esta definida por los terminos de las reivindicaciones adjuntas. Segun un aspecto y 20 en terminos generales, la presente invencion esta dirigida a un concentrador solar que comprende al menos una

celula solar que comprende una superficie delantera, y un sistema optico que concentra la radiacion solar hacia la celula solar. El sistema comprende una lente optica escalonada que tiene una superficie delantera para recibir la radiacion solar y una superficie trasera opuesta enfrentada a la superficie delantera de la celula solar. La superficie trasera tiene un perfil escalonado que define una pluralidad de estructuras escalonadas, cada estructura escalonada, 25 en un plano transversal de la lente, tiene una forma de dientes de sierra y esta formada por una faceta en pendiente y una faceta de despulla, teniendo las facetas en pendiente y de despulla inclinaciones diferentes, estando cada estructura escalonada caracterizada por un paso (P). La faceta en pendiente se extiende por una primera longitud en el plano transversal y la faceta de despulla se extiende por una segunda longitud en el plano transversal. La superficie delantera de la lente comprende una pluralidad de elementos convergentes lenticulares contiguos, 30 teniendo cada elemento lenticular un primer y un segundo borde periferico y una anchura (wl) que se extiende entre el primer y el segundo bordes perifericos. Cada elemento lenticular esta situado opuesto a una estructura escalonada correspondiente y esta configurado de manera que un primer rayo incidente sobre el primer borde del elemento lenticular a lo largo de una primera direction incidente que esta situada en el plano transversal pasa a traves de la lente mientras que es refractado para incidir sobre la faceta en pendiente de la estructura escalonada 35 respectiva en un primer punto de interceptacion, y un segundo rayo paralelo al primer rayo e incidente sobre el segundo borde del elemento lenticular pasa a traves de la lente mientras que es refractado para incidir sobre la faceta en pendiente de la estructura escalonada correspondiente en un segundo punto de interceptacion. La parte en pendiente en el plano trasversal comprendida entre el primer y el segundo puntos de interceptacion dentro de la faceta en pendiente se extiende dentro de la primera longitud y define una region de focalizacion de la estructura 40 escalonada.

[0024] En algunas realizaciones preferentes de la invencion, las estructuras escalonadas son refringentes, en las que el primer y el segundo rayo son refractados por la faceta en pendiente en el primer y el segundo puntos de interceptacion respectivos y salen de la lente para converger hacia una zona focal.

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[0025] Una pluralidad de zonas focales de radiacion incidente en la pluralidad respectiva de estructuras escalonadas forman, en algunas realizaciones, una region focal en la superficie delantera de la celula solar.

[0026] Con preferencia, la pluralidad de estructuras escalonadas estan dispuestas transversalmente adyacentes 50 en un plano de incidencia perpendicular a la primera direccion.

[0027] Con preferencia, los bordes perifericos de la pluralidad de elementos lenticulares estan situados en un plano de incidencia perpendicular a la primera direccion.

55 [0028] Las realizaciones preferentes de la invencion, cada elemento lenticular tiene una superficie curvada en el plano transversal. Los elementos lenticulares son convexos hacia el exterior.

[0029] Con preferencia, cada estructura escalonada tiene un paso comprendido entre 0,1 mm y 10 mm.

[0030] Cada elemento lenticular tiene una anchura igual a un paso de la estructura escalonada correspondiente.

[0031] En algunas realizaciones, cada estructura escalonada esta caracterizada por un paso y cada elemento lenticular tiene un perfil de arco circular en el plano transversal con un radio igual a al menos tres veces el paso de la

5 estructura escalonada correspondiente.

[0032] El numero de la pluralidad de elementos lenticulares corresponde al numero de la pluralidad de estructuras escalonadas.

10 [0033] En algunas realizaciones, los elementos lenticulares tienen una relacion de aspecto comprendida entre 0,005 y 0,05.

[0034] Con preferencia, la seccion de lente en el plano transversal que corresponde a una estructura escalonada de la pluralidad tiene un grosor maximo y cada elemento lenticular de la seccion de lente tiene una distancia focal en

15 la primera direccion incidente mas grande que el grosor maximo.

[0035] Segun algunas realizaciones, en el concentrador solar, un tercer rayo incidente a lo largo de una segunda direccion incidente sobre el primer borde de cada elemento lenticular de la lente optica escalonada en un primer angulo de desviacion con respecto a las primeras direcciones incidentes pasa a traves de la lente mientras que es

20 refractado para incidir sobre la faceta en pendiente de la estructura escalonada respectiva en un tercer punto de interceptacion, y un cuarto rayo a lo largo de una tercera direccion incidente en un segundo angulo de desviacion con respecto a la primera direccion incidente e incidente sobre el segundo borde del elemento lenticular pasa a traves de la lente mientras que es refractado para incidir sobre la faceta en pendiente de la estructura escalonada correspondiente en un cuarto punto de interceptacion. La parte de la faceta en pendiente en el plano transversal se 25 extiende dentro de la faceta en pendiente entre el tercer y el cuarto puntos de interceptacion y define una region de focalizacion ampliada de la estructura escalonada que comprende la region de focalizacion. Con preferencia, el primer y el segundo angulo de desviacion son iguales.

[0036] En algunas realizaciones preferentes de la invention, la lente escalonada comprendida en el concentrador 30 solar es una lente Fresnel con simetrla axial y las estructuras escalonadas tienen una forma anular en el plano. Con

preferencia, la lente tiene un eje optico paralelo a la primera direccion incidente.

[0037] En algunas realizaciones, la lente optica escalonada del concentrador solar incluye una pluralidad de estructuras escalonadas en la cual al menos una primera subpluralidad de la pluralidad de estructuras escalonadas

35 usan reflexion interna total. Cada estructura escalonada de la primera subpluralidad comprende una faceta en pendiente reflectante y la faceta de despulla recibe el primer y el segundo rayo refractados por la superficie delantera de la lente y reflejados por la faceta en pendiente desde el primer y segundo puntos de interceptacion respectivos en el quinto y sexto puntos de interceptacion respectivos de la faceta de despulla. La parte de faceta de despulla que se extiende entre el quinto y sexto punto de interceptacion se extiende dentro de la segunda longitud.

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[0038] En algunas realizaciones la lente optica escalonada del concentrador solar es una lente hlbrida en la cual la pluralidad de estructuras escalonadas comprende una primera subpluralidad que usa reflexion interna total y una segunda subpluralidad de estructuras escalonadas que usan refraccion, en la que cada estructura de la segunda pluralidad comprende una faceta en pendiente refringente y en la que el primer y el segundo rayo incidente que dan

45 en la faceta en pendiente refringente de una estructura escalonada de la segunda subpluralidad en el primer y el segundo punto de interceptacion respectivo de la faceta en pendiente son refractados para salir de la lente. Con preferencia, la primera subpluralidad de estructuras escalonadas esta dispuesta perifericamente de la segunda subpluralidad.

50 [0039] Con preferencia, el sistema optico comprendido en el concentrador solar comprende ademas un elemento optico secundario dispuesto entre la lente optica escalonada y la celula solar a lo largo de la primera direccion incidente para recibir la radiation redirigida por la lente.

[0040] En algunas realizaciones, en la lente escalonada comprendida en el concentrador, la faceta en pendiente y 55 la faceta de despulla de cada estructura escalonada estan unidas por una parte de cresta que tiene un perfil

curvado.

[0041] En algunas realizaciones, en la lente escalonada comprendida en el concentrador, la faceta de despulla de una primera estructura escalonada esta unida a una faceta en pendiente de una segunda estructura escalonada

adyacente siguiente por una parte de valle que tiene un perfil escalonado.

[0042] En otro aspecto, la presente invention esta dirigida a una lente optica escalonada que comprende una superfine delantera para recibir una radiation incidente, y una superficie trasera opuesta que comprende un perfil

5 escalonado que define una pluralidad de estructuras escalonadas. Cada estructura escalonada tiene una forma de dientes de sierra en un plano transversal de la lente y esta formada por una faceta en pendiente y una faceta de despulla, teniendo las facetas en pendiente y de despulla inclinaciones diferentes. La faceta en pendiente se extiende por una primera longitud en el plano transversal y la faceta de despulla se extiende por una segunda longitud en el plano transversal. La superficie delantera de la lente comprende una pluralidad de elementos 10 convergentes lenticulares, teniendo cada elemento lenticular un primer y un segundo borde periferico. Cada elemento lenticular esta situado opuesto a una estructura escalonada correspondiente y esta configurado de manera que un primer rayo incidente sobre el primer borde del elemento lenticular a lo largo de una primera direction incidente que esta situada en el plano transversal pasa a traves de la lente mientras que es refractado para incidir sobre la faceta en pendiente de la estructura escalonada respectiva en un primer punto de interceptacion, y un 15 segundo rayo paralelo al primer rayo e incidente sobre el segundo borde del elemento lenticular pasa a traves de la lente mientras que es refractado para incidir sobre la faceta en pendiente de la estructura escalonada correspondiente en un segundo punto de interceptacion. La parte en pendiente en el plano trasversal comprendida entre el primer y el segundo puntos de interceptacion dentro de la faceta en pendiente se extiende dentro de la primera longitud y define una region de focalizacion de la estructura escalonada.

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[0043] Al no tener contribution de las partes no agudas, pueden emplearse tecnicas de fabrication de coste relativamente bajo para la production de la lente escalonada.

[0044] Con preferencia, en la lente optica escalonada, la pluralidad de estructuras escalonadas estan dispuestas 25 transversalmente adyacentes en un plano de incidencia perpendicular a la primera direccion.

[0045] Con preferencia, los bordes perifericos de la pluralidad de elementos lenticulares estan situadas en un plano de incidencia perpendicular a la primera direccion.

30 [0046] En algunas realizaciones, la lente escalonada es una lente Fresnel en la cual las estructuras escalonadas son concentricas y anulares cuando se ven en un plano de incidencia perpendicular a la primera direccion.

[0047] En otras realizaciones, la lente escalonada es una lente prismatica en la cual las estructuras escalonadas estan dispuestas secuencialmente de manera sustancialmente paralelas entre si cuando se ve en un plano de

35 incidencia perpendicular a la primera direccion.

[0048] En realizaciones adicionales, la faceta en pendiente y la faceta de despulla de cada estructura escalonada estan unidas por una parte de cresta que tiene un perfil curvado. En una realization, el perfil curvado de la parte de cresta tiene un radio de curvatura de 5 a 100 pm.

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[0049] En otras realizaciones, la faceta de despulla de una primera estructura escalonada esta unida a una faceta en pendiente de una segunda estructura escalonada adyacente siguiente por una parte de valle que tiene un perfil curvado. En una realizacion, el perfil curvado de la parte de valle tiene un radio de curvatura de 5 a 100 pm.

45 [0050] Con preferencia, la profundidad maxima de una estructura escalonada, definida como la diferencia de longitud transversal entre el grosor maximo y el grosor mlnimo de la lente, no es mayor de 1,5 mm, con mas preferencia no mayor de aproximadamente 1 mm.

[0051] Dentro de esta description y las reivindicaciones adjuntas, con lente optica escalonada se quiere decir una 50 lente optica que comprende una superficie que tiene un perfil escalonado que defina una pluralidad de estructuras escalonadas, en particular que tiene una forma de dientes de sierra en un plano transversal. Dentro de la presente descripcion y las reivindicaciones adjuntas, una forma de dientes de sierra se refiere tanto a una estructura escalonada con un perfil pronunciado ideal, como a una estructura con cresta y/o valle redondeados.

55 [0052] A continuation se describira mas pormenorizadamente la presente invencion en lo sucesivo con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales se muestran algunas, pero no todas las realizaciones de la invencion. Los dibujos que ilustran las realizaciones no son representaciones esquematicas a escala.

La fig. 1 ilustra esquematicamente una section transversal de una lente Fresnel convencional.

La fig. 2 es una parte a escala ampliada E de la vista en corte transversal de la fig. 1.

La fig. 3 compara un perfil escalonado ejemplar de una lente Fresnel “ideal” con el de una lente moldeada que tiene estructuras escalonadas redondeadas.

5

La fig. 4 es una vista esquematica en corte transversal de una lente Fresnel refringente segun una realizacion de la presente invention.

La fig. 5 es una parte a escala ampliada G de la vista en corte transversal de la fig. 4.

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La fig. 6 muestra la misma parte de lente de la fig. 5, que indica ademas los caminos de los rayos de luz incidentes a traves de la lente.

La fig. 7 informa sobre un ejemplo de un perfil de lente simulado para una lente refringente Fresnel de acuerdo con 15 la presente invencion.

La fig. 8 muestra esquematicamente dos elementos lenticulares ejemplares de la superficie delantera de una lente, segun una realizacion de la presente invencion.

20 La fig. 9a es una vista en planta desde arriba de un modulo fotovoltaico de concentration solar, que muestra un conjunto de lentes Fresnel como lentes primarias, segun una realizacion de la presente invencion.

La fig. 9b es una vista esquematica en corte transversal tomada a lo largo de la llnea CC de la fig. 9a y que muestra una unidad de modulo que comprende una lente Fresnel segun una realizacion de la invencion.

25

La fig. 10 ejemplifica el posible camino optico de un rayo incidente desviado de la normal en una lente escalonada, la cual puede ser, por ejemplo, una lente Fresnel convencional (solo se muestran dos estructuras escalonadas).

La fig. 11 es una vista esquematica en corte transversal que muestra una section de lente que corresponde a una 30 unica estructura escalonada para ejemplificar la refraction de la radiation perpendicular al plano de incidencia y de la radiacion que tiene un angulo de desviacion a respecto a la direction perpendicular.

La fig. 12 informa de los resultados para un perfil de lente simulado para una lente refringente Fresnel y los rayos de luz que inciden con un angulo de desviacion de 2°, en una realizacion de la presente invencion. Solo se ilustra una 35 parte ejemplar de la lente.

La fig. 13 es una vista en perspectiva de una lente prismatica segun una realizacion de la invencion.

La fig. 14 muestra un perfil de lente simulado ejemplar para una lente prismatica con un foco de un solo punto.

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La fig. 15 muestra una parte de una lente escalonada que comprende una pluralidad de estructuras escalonadas TIR espaciadas transversalmente, segun una realizacion de la presente invencion.

La fig. 16 es una vista esquematica en corte transversal de una lente escalonada hlbrida, segun una realizacion de 45 la presente invencion.

La fig. 17 ilustra las convenciones de slmbolos y angulos del camino optico de un rayo dentro y fuera de una seccion de lente usada en las ecuaciones del apendice A.

50 [0053] La figura 1 ilustra esquematicamente una seccion transversal de una lente Fresnel convencional ejemplar 1 con simetrla axial con respecto a un eje optico 6, que esta situado en un plano transversal (x, z) a lo largo del eje z. La lente Fresnel tiene una superficie delantera lisa 2 y una superficie trasera 3 con un perfil escalonado que define una pluralidad de estructuras escalonadas 5 dispuestas concentricamente alrededor de una parte central 4, teniendo esta, por ejemplo, una forma lenticular con perlmetro circular. La parte central 4 es tlpicamente la parte a traves de la 55 cual pasa el eje optico 6. En la lente Fresnel ejemplar mostrada en la figura, la superficie delantera 2 es plana y el perfil escalonado de la superficie trasera 3 es convexo con respecto al plano definido por la superficie delantera. La superficie delantera 2 es sustancialmente perpendicular al eje optico 6.

[0054] En los disenos comunes de las lentes Fresnel, cerca del centro de la lente, las facetas en pendiente de las

estructuras escalonadas 5 son casi paralelas a la superficie delantera, mientras que gradualmente se vuelven mas pronunciadas hacia los bordes de la lente. El angulo de pendiente, -Si, (no indicado en las figs. 1-2) formado por la faceta en pendiente de la estructura escalonada i-esima (i=1, 2, ..., n) con un plano de incidencia perpendicular al eje optico 6, el cual es en este caso un plano paralelo a la superficie delantera, puede seleccionarse de manera que los 5 rayos del sol que inciden en la lente son redirigidos por la superficie en pendiente a una parte predeterminada de una superficie objetivo (por ejemplo, la superficie de una celula solar que recibe la luz) en un plano focal comun situado a una distancia focal, Fo. Dicha parte de la superficie objetivo se denominara la region focal. El angulo de pendiente de cada estructura seleccionada puede seleccionarse para que defina una sola distancia focal. Alternativamente, la lente Fresnel puede estar estructurada para que sea de un tipo multifocal, por ejemplo cuando 10 interesa la uniformidad de iluminacion dentro de una zona dada o cuando la luz ha de ser redirigida hacia un elemento optico adicional.

[0055] En aplicaciones tlpicas de lentes Fresnel en concentradores fotovoltaicos, la orientacion de la superficie escalonada es hacia la celula solar (ranuras “dentro”) debido a la ventaja potencial de evitar la acumulacion de 15 suciedad y residuos dentro de las facetas. Aunque el tamano de las estructuras escalonadas puede variar dependiendo de varios factores, tales como el grosor maximo deseado de la lente, la dimension de la region focal en la celula y/o el factor concentrador, y/o la distancia desde el centro de la lente, el paso tlpico de las estructuras puede estar comprendido entre aproximadamente 0,1 y 10 mm.

20 [0056] La figura 2 muestra una parte a escala ampliada E de la lente Fresnel de la fig. 1 en la cual se ilustran unas pocas estructuras escalonadas adyacentes siguientes ejemplares 5a, 5b y 5c definidas por la superficie escalonada. Para cada estructura escalonada, la forma transversal de la superficie trasera comprende una faceta en pendiente 9, cuya inclinacion, concretamente el angulo de pendiente, con respecto a un plano paralelo a la superficie delantera, y en general perpendicular a la radiacion incidente, puede variar de una estructura escalonada a la siguiente 25 estructura escalonada adyacente, y una faceta de despulla mas pronunciada 8 que conecta las facetas en pendiente de dos estructuras adyacentes siguientes. Cuando se ve como una seccion de lente, siempre en un plano transversal (x, z), la parte de la lente Fresnel que corresponde a una sola estructura escalonada tiene una forma de dientes de sierra. Las facetas en pendiente contribuyen a la refraccion de la radiacion solar incidente sobre la superficie delantera, mientras que las facetas de despulla tienen la funcion de interconectar dos facetas en 30 pendiente adyacentes siguientes. Idealmente, las facetas de despulla son sustancialmente paralelas a la direccion de incidencia de los rayos de luz sobre la lente de manera que interfieren lo menos posible con el camino optico de los rayos. Como los concentradores fotovoltaicos tlpicamente hacen uso de un sistema de seguimiento para mantener la direccion de incidencia de la radiacion solar para que sea perpendicular o casi perpendicular a la superficie delantera de la lente, teoricamente, la provision de facetas de despulla sustancialmente perpendiculares a 35 la superficie delantera, y que forman as! vertices y valles agudos con las facetas en pendiente contiguas, minimiza las perdidas opticas.

[0057] En realidad, la fabricacion mediante moldeo requiere generalmente que las facetas de despulla esten desviadas de la norma unos pocos grados de inclinacion, por ejemplo 1-2° para lentes refringentes, para facilitar el

40 desmoldeo.

[0058] Ademas, el uso de procedimientos de fabricacion de coste relativamente bajo, tales como moldeo por inyeccion, sera a costa de una perdida en la fidelidad de reproduccion de las caracterlsticas de la superficie trasera.

45 [0059] La figura 3 es una vista esquematica en corte transversal de una parte de una lente Fresnel en la cual el perfil escalonado de una lente Fresnel “ideal” (llnea continua) se compara con un perfil escalonado “renal” ejemplar (llnea de puntos) de una lente moldeada, la cual puede obtenerse mediante moldeo en la cual las caracterlsticas agudas no son reproducidas. En el perfil escalonado “ideal” 10, la faceta en pendiente 9 y la faceta de despulla 8 de cada estructura escalonada define un vertice agudo 12 y la faceta de despulla define un valle agudo 13 con la faceta 50 en pendiente de una estructura escalonada adyacente siguiente. En el perfil escalonado “real” 11, los vertices y valles agudos han sido redondeados en crestas y valles unidos por una faceta de despulla que esta desviada de la normal con respecto a la superficie delantera 14, o fuera del eje respecto a la direccion de la direccion incidente, la cual se supone que es a lo largo del eje z, como se ejemplifica por la flecha 15. En general, la redondez de las crestas y valles depende del procedimiento de moldeo, del material que es moldeado y de las dimensiones de las 55 estructuras escalonadas.

[0060] La presencia de facetas de despulla no paralelas a la radiacion incidente y de angulos redondeados reduce significativamente la parte de las facetas en pendiente de las estructuras escalonadas utiles para la refraccion optica de los rayos que surgen de la superficie trasera de la lente con una direccion convergente a un area objetivo del

plano focal, disminuyendo as! significativamente la eficiencia de captacion de la lente en aplicaciones fotovoltaicas.

[0061] En un plano transversal (x,z), la lente puede dividirse en regiones de “focalizacion” A que comprenden la parte de las facetas en pendiente “util” para la refraccion de la radiacion sobre una zona focal y regiones de

5 interconexion B, las cuales comprenden las facetas de despulla y las crestas y valles redondeados. Las regiones de focalizacion A estan separadas por las regiones de interconexion B (las llneas de separacion estan indicadas con llneas de puntos y rayas). La relacion entre la anchura de las regiones de interconexion B y la anchura de las regiones de focalizacion A puede tomarse como un parametro que define la calidad de la lente, dependiendo el parametro de varios factores, tales como los angulos de pendiente de las estructuras escalonadas, los angulos de

10 despulla definidos entre las faceta de despulla y un eje paralelo a la radiacion incidente, y el espacio, P, entre dos valles adyacentes siguientes 13, denominado en lo sucesivo el paso de la estructura escalonada. En general, para un area superficial total dada de una lente escalonada, cuanto mayor es el numero de estructuras escalonadas, y por lo tanto cuanto menor es el paso, mas relevante es la contribucion a las perdidas de las regiones de interconexion.

15

[0062] En un perfil redondeado “real” de las estructuras escalonadas, la redondez o curvatura puede representarse mediante un primer radio de curvatura, R1, entre las facetas dentro de una estructura escalonada y un segundo radio de curvatura, R2, formado por el valle redondeado entre dos estructuras escalonadas adyacentes siguientes. En el ejemplo mostrado en la fig. 3, la redondez de las crestas y los valles del perfil de lente se supone que esta

20 descrita por una circunferencia, concretamente el primer radio de curvatura es el radio de una circunferencia tangente a las facetas en pendiente y de despulla de una estructura escalonada y el segundo radio de curvatura es el radio de una circunferencia tangente a la faceta de despulla de una estructura escalonada y a la faceta en pendiente de una estructura escalonada adyacente siguiente (las circunferencias estan indicadas con llneas de rayas). Por ejemplo, para una lente Fresnel construida de metacrilato de polimetilo (PMMA) y obtenida mediante

25 moldeo por inyeccion, los radios de curvaturas R1 y R2 de la cresta y el valle redondeados, respectivamente, pueden estar comprendidos entre 20 pm y 150 pm. Ha de entenderse que las crestas y los valles de estructuras escalonadas en las lentes polimericas moldeadas pueden tener una redondez caracterizada por una pluralidad de radios de curvatura y en general no estar definidos por una circunferencia. En las lentes Fresnel obtenidas mediante otros procedimientos de moldeo, tales como moldeo por compresion, la redondez de los bordes del perfil escalonado

30 puede estar caracterizada por radios de curvatura inferiores, por ejemplo del orden de unos pocos micrometros, sin embargo, generalmente a costa de un aumento significativo del coste por pieza con respecto a las lentes construidas mediante moldeo por inyeccion. Debido a la difusion de la luz en los bordes redondeados que causa dispersion de la radiacion en direcciones diferentes a las de la region focal, para la cual esta disenada la lente, el rendimiento optico de una lente se degrada.

35

[0063] Los inventores han descubierto que proporcionando a la superficie delantera una pluralidad de elementos lenticulares convergentes dispuestos de tal manera que hacen converger la radiacion incidente basicamente solo en las regiones de focalizacion de la lente A, es posible mantener la radiacion incidente fuera de las regiones de interconexion B y, por lo tanto, al menos reducir significativamente las perdidas opticas.

40

[0064] La figura 4 ilustra una vista en corte transversal de una lente Fresnel refringente segun una realizacion de la presente invention. Una lente Fresnel 20 comprende una superficie delantera 21 y una superficie trasera opuesta 22, tal como se ve desde un plano transversal (x,z) que incluye un eje optico de la lente 27. La lente Fresnel de la presente realizacion es simetrica con respecto al eje optico. La superficie trasera 22 comprende una parte central 26,

45 la cual puede tener una superficie plana o ser convexa hacia el exterior, y una pluralidad de estructuras escalonadas 24 dispuestas concentricamente alrededor de la parte central 26, concretamente alrededor del eje optico 27. Cada estructura escalonada 24 tiene una forma de dientes de sierra en el plano transversal (x,z) y esta formada por una faceta en pendiente 29 y una faceta de despulla 28, teniendo las facetas en pendiente y de despulla inclinaciones diferentes.

50

[0065] La superficie delantera 21 esta estructurada para que comprenda una pluralidad de elementos lenticulares opticamente convergentes 23, estando dispuesto cada elemento lenticular para corresponder, en un plano transversal de la lente, a una estructura escalonada respectiva 24 y estando configurado para hacer converger sustancialmente la luz incidente perpendicular al plano incidente en una region de focalizacion dentro de la faceta en

55 pendiente de la estructura escalonada respectiva.

[0066] La superficie delantera esta estructurada para prefocalizar los haces luminosos que inciden perpendicularmente sobre la lente, refractando la luz que entrarla en la lente en las regiones de interconexion B y dirigiendola en las regiones de la lente A que tienen un perfil en pendiente que contribuyen a la convergencia de la

radiacion.

[0067] Un plano de incidencia esta definido perpendicularmente a la radiacion incidente, es decir, el eje z en la fig. 4. Para las lentes opticas “planas”, en las que los extremos de los elementos lenticulares estan situados

5 sustancialmente en un plano comun, el plano de incidencia atraviesa sustancialmente toda la lente a lo largo del eje x.

[0068] La figura 5 muestra una parte a escala ampliada G de la vista en corte transversal de la fig. 4, en la cual se muestran dos elementos lenticulares 23a y 23b con estructuras escalonadas respectivas 24a y 24b. En las

10 realizaciones preferentes de la invencion, cada elemento lenticular convergente del perfil de la superficie delantera, tal como el elemento lenticular 23b, tiene una superficie que es convexa hacia el exterior con un primer borde periferico 34b y un segundo borde periferico 34c. Cada elemento lenticular actua como un elemento optico convergente, que es mas grueso en su centro mientras que disminuye de grosor hacia sus bordes perifericos, cuando se ve en un plano transversal (x,z). Un borde periferico de un elemento lenticular se define como el borde de 15 las partes convexas del elemento lenticular. En muchos casos de interes, en los bordes perifericos, el grosor del elemento lenticular esta en su mlnimo.

[0069] En algunas realizaciones, los rayos perpendiculares incidentes en un elemento lenticular son convergentes hacia un punto o region focal “virtual”, fL (indicado en la fig. 5 solo para el elemento 23a), cuya distancia desde la

20 superficie delantera, a lo largo del eje z, depende del Indice de refraccion de la lente y de la relacion de aspecto del elemento lenticular, por ejemplo, del radio del elemento lenticular, en caso de un elemento lenticular circular. Con preferencia, el foco, FL, de un elemento lenticular esta ubicado a una distancia focal que es mayor que el grosor maximo, smax, de la seccion de lente que corresponde a la estructura escalonada opuesta al elemento lenticular. La figura 5 tambien indica el grosor mlnimo, smin, de la seccion de lente que corresponde a una estructura escalonada, 25 el angulo de pendiente, O, formado por cada punto de la faceta en pendiente con el plano de incidencia y el angulo de despulla, Z, formado por la faceta de despulla con la direccion de incidencia.

[0070] Todos los elementos lenticulares pueden tener una forma superficial igual, por ejemplo, circular, aunque esto no deberla considerarse limitativo de la presente invencion.

30

[0071] Una anchura, wl, de cada elemento lenticular de la pluralidad puede estar definida en el plano transversal (x,z) a lo largo del eje x, extendiendose la anchura entre los dos bordes perifericos 34b y 34c. En una primera aproximacion, la anchura wl corresponde al paso, P, concretamente la distancia, siempre a lo largo del eje x, entre dos valles subsiguientes (adyacentes siguientes) de la estructura escalonada correspondiente opuesta.

35

[0072] Cada elemento lenticular puede estar caracterizado por su relacion de aspecto, la cual se define por la relacion de la altura maxima, H, del elemento tomada en un plano transversal, por ejemplo (x,z), a la anchura, wl, en la que la altura maxima corresponde al grosor maximo del elemento lenticular. En algunas realizaciones preferentes de la invencion, la pluralidad de estructuras escalonadas tienen un paso comprendido entre 0,1 mm y 10 mm. La

40 relacion de aspecto de los elementos lenticulares puede abarcar hasta 0,05, con preferencia desde 0,005 hasta 0,05.

[0073] En algunas realizaciones preferentes de la invencion, la lente escalonada comprende una pluralidad de estructuras escalonadas que tienen un paso variable a traves de la pluralidad de estructuras. Por ejemplo, en las

45 lentes Fresnel o prismaticas, la inclinacion media de las facetas en pendiente, y/o el paso, puede estar dispuesta para variar de una estructura escalonada a la siguiente.

[0074] En una realizacion preferente de la invencion, la lente tiene una simetrla axial y el paso disminuye desde el centro de la lente hacia la periferia de la lente.

50

[0075] En algunas realizaciones preferentes de la invencion, la lente comprende una pluralidad de estructuras escalonadas espaciadas transversalmente en el plano de incidencia desde un eje de referencia perpendicular al plano de incidencia, teniendo cada par de estructuras escalonadas adyacentes consecutivas una primera estructura escalonada dispuesta perifericamente a una segunda estructura escalonada con respecto al eje de referencia,

55 teniendo la primera estructura escalonada un paso mayor que la segunda estructura escalonada. En una realizacion, la lente es simetrica y el eje de referencia es el eje optico que pasa a traves del centro de la lente.

[0076] Volviendo a hacer referencia a la fig. 4, con preferencia, los elementos lenticulares son contiguos en un plano principal de la superficie delantera 21 perpendicular al eje optico 27 de manera que dos elementos lenticulares

adyacentes siguientes tienen un borde periferico en comun, el menos en las secciones de la lente provistas de las estructuras escalonadas. En correspondencia con la parte central 26 de la superficie trasera, la superficie delantera 21 puede comprender un elemento lenticular 25 de manera que una pluralidad de elementos lenticulares contiguos estan provistos a traves de la superficie delantera. Alternativamente, puede estar provista una region plana en 5 correspondencia con la parte central 26 de la superficie trasera (realizaciones no mostradas en la figura). En una realizacion, la parte central 26 de la superficie trasera comprende una estructura escalonada. Ha de observarse que en muchas configuraciones tlpicas para concentraciones fotovoltaicas, el numero de estructuras escalonadas en una lente Fresnel puede ser de 100 a pocos cientos de manera que la parte central constituye solo una fraccion muy pequena del area de la superficie trasera de la lente. Por lo tanto, en muchos casos de interes, la forma de la parte 10 central no es relevante para el rendimiento optico de la lente.

[0077] Con preferencia, para una lente Fresnel, cada estructura escalonada y cada elemento lenticular correspondiente son anulares en un plano incidente, de manera que el primer y segundo bordes perifericos son circunferenciales. Con el segundo borde periferico rodeando el primer borde periferico, definiendo as! una region 15 anular que corresponde sustancialmente a la region anular en el plano de la estructura escalonada respectiva. En general, el contorno definido por los bordes de los elementos lenticulares en el plano de incidencia (por ejemplo, anular, rectangular, etc.) depende, con preferencia, de la geometrla en el plano de la estructura escalonada correspondiente.

20 [0078] La figura muestra esquematicamente los caminos de los rayos de luz e indica las regiones A y B para la misma parte de la lente de la fig. 5. En un plano transversal (x,z), los bordes perifericos 34a y 34b de cada parte lenticular estan situados dentro de la parte de interconexion B de una estructura escalonada correspondiente en la superficie trasera opuesta.

25 [0079] Considerando la seccion de lente que se extiende entre los bordes perifericos 34b y 34c que definen el elemento lenticular 23b que corresponde a una estructura escalonada 24b en la superficie trasera, un primer rayo 30, el cual es incidente perpendicularmente al plano de la superficie delantera en el primer borde 34b del elemento lenticular 23b, pasa a traves de la lente mientras que es refractado para incidir en la faceta en pendiente 29 de la estructura escalonada correspondiente 24b en un primer punto de interceptacion 32. Un segundo rayo 31 paralelo al 30 primer rayo 30 e incidente en el segundo borde 34c de los elementos lenticulares pasa a traves de la lente mientras que es refractado para incidir en la faceta en pendiente 29 de la estructura escalonada correspondiente en un segundo punto de interceptacion 33. La region que se extiende entre el primer y segundo puntos de interceptacion dentro de la faceta en pendiente 29 define la region de focalizacion A de la estructura escalonada 24b. Puede definirse analogamente una region de focalizacion de la estructura escalonada 24a que se extiende entre el punto de 35 interceptacion 36 en la faceta en pendiente de la estructura de un tercer rayo 35 perpendicular a la superficie delantera e incidente en un primer borde periferico 34a del elemento lenticular 23a y el punto de interceptacion 37, siempre en la superficie en pendiente de la estructura 24a, del primer rayo 30 incidente en el borde 34b.

[0080] La faceta en pendiente de una estructura escalonada (por ejemplo 24a o 24b) se extiende por una primera 40 longitud y la parte de faceta en pendiente entre el primer y segundo puntos de interceptacion se extiende menos que

la primera longitud.

[0081] En general, los rayos de luz perpendiculares a un plano de incidencia y que impactan en los elementos lenticulares son refractados y dirigidos hacia las regiones de focalizacion donde la superficie trasera se aproxima

45 bastante a un perfil ideal de las estructuras escalonadas.

[0082] La faceta de despulla de cada estructura escalonada se extiende entre dos extremos de faceta de despulla, los cuales corresponden generalmente a las crestas y los valles. Una vez que se definen como antes las regiones de focalizacion, se define una region de interconexion B entre una primera region de focalizacion de una primera

50 estructura escalonada y una segunda region de focalizacion de una segunda estructura escalonada adyacente siguiente, comprendiendo las regiones de interconexion los extremos de la faceta de despulla de la primera estructura escalonada.

[0083] Con la provision de una superficie delantera de forma lenticular segun la invencion, el perfil de la superficie 55 y/o la estructura de la lente de las regiones de interconexion B de la lente refringente no afectan a la radiacion que

surge de la superficie trasera de la lente. Esto permitira la relajacion de los requisitos de fabricacion sin perdida de eficiencia optica de la lente.

[0084] En un aspecto de la presente invencion, se proporciona un procedimiento para disenar una lente

escalonada, que comprende seleccionar una pluralidad de parametros de entrada de la lente. Lo siguiente es una lista no exhaustiva de tales parametros de entrada: el grosor mlnimo, smin, de la lente; el Indice de refraccion de la lente; la posicion del foco optico con respecto a la lente (un solo punto si la lente es monofocal o una pluralidad de puntos si la lente es multifocal); el numero de estructuras escalonadas; el angulo de despulla y el paso, P, para cada 5 estructura escalonada; el numero de elementos lenticulares (igual al numero de estructuras escalonadas) o el radio (o mas en general el tamano transversal) de la lente, la relacion de aspecto y la anchura, wl, de cada elemento lenticular que corresponde a una estructura escalonada respectiva. Con preferencia, la anchura, wl, de cada elemento lenticular se toma para que sea igual al paso, P, de la estructura escalonada correspondiente. Se define una direccion incidente principal, que representara la incidencia perpendicular, y a partir de eso un plano de 10 incidencia perpendicular a la direccion incidente principal.

[0085] Despues de la selection de los parametros de entrada y de la direccion incidente principal, el procedimiento de diseno de la lente comprende calcular el perfil de la region de focalizacion de cada estructura escalonada usando los parametros de entrada para cada estructura y su elemento lenticular correspondiente. En particular, el camino

15 optico de un primer rayo incidente perpendicularmente en un primer bode periferico del elemento lenticular que corresponde a cada estructura escalonada dentro de la lente y que surge de la superficie trasera de la lente, se calcula aplicando la ley de Snell. La posicion en la cual el camino optico del primer rayo intercepta la superficie trasera, es decir, el punto de salida del rayo, constituye el primer punto de interceptacion de la faceta en pendiente de la estructura escalonada respectiva, el cual define en la superficie trasera un primer borde de la region de 20 focalizacion. Igualmente, se calcula un segundo punto de interceptacion de la faceta en pendiente de la misma estructura escalonada de manera que se determina la extension de la region de focalizacion. Con preferencia, el procedimiento comprende ademas determinar el perfil de la region de focalizacion calculando el camino optico de los rayos normales incidentes en el elemento lenticular en una pluralidad de posiciones incidentes intermedias a los dos bordes perifericos. La forma de la faceta en pendiente puede ser plana o concava. Los resultados pueden obtenerse 25 resolviendo numericamente ecuaciones diferenciales parciales de una o dos dimensiones con la ayuda de un paquete de analisis numerico comercial, tal como MATLAB®.

[0086] En el apendice A se informa de una breve description de las ecuaciones que, segun una realization, pueden emplearse para determinar el perfil escalonado de una lente refringente.

30

[0087] La figura 7 informa sobre un ejemplo de un perfil de lente simulado para una lente Fresnel monofocal que resulta de la solution numerica de las ecuaciones diferenciales basadas en la aplicacion de la ley de Snell, segun el procedimiento descrito anteriormente. Los parametros de entrada fueron los siguientes: distancia focal de 0,21 m; material polimerico de la lente con Indice de refraccion de 1,491; veintiuna estructuras escalonadas de paso maximo

35 de 4 mm; grosor mlnimo, smin, de 3 mm, y elementos lenticulares esfericos de radio, Rl, de 8 mm. La lente tiene una simetrla axial (solo se muestra la mitad de la lente en la figura). Los rayos de luz perpendiculares al plano de incidencia son refractados una primera vez cuando entran en la lente y una segunda vez cuando salen de la lente. Dichos rayos perpendiculares surgen de la lente solo en las secciones que contribuyen a la focalizacion del haz incidente. La presencia de los elementos lenticulares desvlan los rayos de las regiones de interconexion que 40 comprenden las facetas de despulla, las crestas y los valles del perfil escalonado trasero.

[0088] La figura 8 es una vista esquematica en corte transversal parcial que ilustra dos elementos lenticulares ejemplares de la superficie delantera de una lente escalonada segun una realizacion de la presente invention. Tal como se describio anteriormente, los elementos lenticulares pueden estar caracterizados por una relacion de

45 aspecto, H/wl. En algunas realizaciones, los elementos lenticulares tienen, en una vista en corte transversal, una forma circular con radio, Rl. Algunas otras realizaciones pueden englobar elementos lenticulares con forma no circular y seccion transversal generalmente curvada.

[0089] Dependiendo tambien de la relacion de aspecto de los elementos lenticulares, los bordes perifericos del 50 perfil lenticular pueden presentar caracterlsticas agudas o ser redondeados (tal como se ejemplifica

esquematicamente en la fig. 8), como resultado del procedimiento de moldeo. En general, la redondez de un borde periferico de un elemento lenticular puede representarse mediante al menos un radio de curvatura, ri. En el ejemplo de la fig. 8, se supone que la redondez esta representada por un radio de una circunferencia tangente a dos elementos lenticulares adyacentes siguientes (estando centrada alrededor del borde periferico comun entre los dos 55 elementos). Puede definirse una region de transition de anchura W1 entre dos elementos lenticulares adyacentes siguientes. El angulo 5 subtendido por las tangentes de los dos perfiles lenticulares adyacentes en las inmediaciones de la region de transicion puede seleccionarse para que sea relativamente grande, por ejemplo, 5 = 160°, permitiendo as! un facil moldeo de esa region. La anchura de tales regiones normalmente es mucho menor que la anchura de las regiones B correspondientes (tlpicamente inferior al 10 % de la anchura de las regiones B) y su

influencia negativa sobre la eficiencia optica total de la lente es, por tanto, insignificante.

[0090] En la aplicacion para concentradores solares, para concentrar las radiaciones solares con factores de concentracion de 500x a 1000x sobre celulas fotovoltaicas que tienen un area superficial de entrada de 5 aproximadamente de 1 mm2 a 100 mm2, las lentes Fresnel puede estar disenadas, por ejemplo, con estructuras escalonadas que tienen un paso, P, de aproximadamente 1 a 1,5 mm. Los inventores han observado que, en muchos casos practicos de interes, las regiones de interconexion de las estructuras escalonadas pueden ocupar del 5 al 10 % de la lente, es decir, ~50-100 pm. Por ejemplo, para elementos lenticulares con relacion de aspecto de 0,025, las lentes con redondez de las regiones de transicion entre dos elementos lenticulares adyacentes siguientes 10 pueden tener un radio de curvatura, ri, de 20 pm, el cual corresponde a una anchura, wi, de la region de transicion del orden de unos pocos micrometros, aproximadamente al menos un factor de diez inferior a la anchura de las regiones de interconexion de la lente B. Por lo tanto, en muchos casos de interes, las posibles imperfecciones del contorno de la superficie delantera no influyen significativamente en el rendimiento optico de la lente.

15 [0091] En general, dependiendo entre otras cosas del paso del perfil escalonado y del grosor mlnimo de la lente, los elementos lenticulares pueden estar provistos de una relacion de aspecto relativamente baja. Generalmente, cuanto mas bajo sea el grosor mlnimo de la lente, smin, mayor es la convexidad de los elementos lenticulares, por consiguiente mayor su relacion de aspecto. La provision de elementos lenticulares con relacion de aspecto relativamente baja permite el moldeo de la superficie delantera de la lente con un factor de reproducibilidad 20 relativamente alto.

[0092] En algunas realizaciones, la relacion de aspecto de los elementos lenticulares esta comprendida entre 0,005 y 0,05.

25 [0093] Por ejemplo, se disena una lente Fresnel circular o una lente prismatica provista de elementos lenticulares con forma de seccion transversal circular y que esta construida de PMMA que tiene los siguientes parametros:

diametro de la lente: 100 mm

30 numero de estructuras escalonadas: 20

paso: 2,5 mm

Indice de refraccion del PMMA: 1,4935 35

radio de los elementos lenticulares: 6 mm grosor mlnimo, smin: 3 mm

40 [0094] En el ejemplo dado, para radios de curvatura R1 y R2 de las facetas de las estructuras escalonadas de aproximadamente 50 pm, se calculo que la anchura de las regiones de interconexion B era de aproximadamente 0,15 mm entre las regiones A de cada estructura escalonada. Segun una primera aproximacion, la perdida de eficiencia optica de la lente, donde la superficie delantera es sustancialmente plana, habrla sido de 0,15/2,5=6 %. Para una pluralidad de elementos lenticulares que tienen un radio de curvatura, ri, en el borde entre dos elementos 45 lenticulares adyacentes siguientes de 30 pm, la anchura, wi, de la region donde se espera que se produzcan inexactitudes de la superficie delantera debido al moldeo es de aproximadamente 6 pm. La perdida de eficiencia optica debido a la redondez de los bordes de los elementos lenticulares para tal lente es de aproximadamente 0,006/2,5=0,24 %.

50 [0095] Las figuras 4 a 7 se refieren a una lente escalonada “plana”, en la cual los elementos lenticulares de la superficie delantera estan situados en un plano principal delantero comun que puede tomarse como el plano incidente y las estructuras escalonadas de la superficie trasera estan situadas en un plano trasero principal comun, sustancialmente paralelo al primer plano principal. Sin embargo, la presente invencion engloba una lente escalonada en la que los elementos lenticulares y/o las estructuras escalonadas estan situados en una superficie no plana y 55 generalmente curvada. En particular, los bordes perifericos de los elementos lenticulares pueden estar situados en una superficie curvada. Por ejemplo, la lente escalonada puede tener una superficie delantera en forma de cupula de manera que los elementos lenticulares estan dispuestos en una superficie convexa hacia el exterior y las estructuras escalonadas estan dispuestas en una superficie trasera concava.

[0096] En algunas realizaciones, el grosor medio de la lente no es mayor de 4 mm, con preferencia de 3 mm a 4 mm. Con preferencia, el grosor minimo, smin, de la lente no es menor de 3 mm y, con preferencia, no mayor de 5 mm.

5 [0097] En algunas realizaciones preferentes de la invencion, la profundidad de la faceta de despulla , (smx-smin), para cada estructura escalonada no es mayor de aproximadamente 1 mm.

[0098] La figura 9a ilustra una vista esquematica en planta desde arriba de un concentrador solar 40 que comprende un conjunto de celulas solares que forman un modulo fotovoltaico donde las celulas estan dispuestas en

10 filas y columnas y que comprende un conjunto de lentes Fresnel 41, estando dispuesta cada lente en correspondencia con una celula solar respectiva (no visible en la fig. 9a). La figura 9b es una vista esquematica en perspectiva de una unidad de modulo 40a que comprende una celula solar individual tomada a lo largo de la linea CC de la fig. 9a. El concentrador solar 40 puede llevarse a cabo ensamblando una pluralidad de unidades de modulo. Las lentes Fresnel tienen una forma cuadrada en una vista en planta y comprenden una superficie delantera 15 con respecto a los rayos incidentes y una superficie trasera, comprendiendo la superficie trasera una pluralidad de estructuras escalonadas 46 dispuestas concentricamente alrededor de un eje optico con una geometria anular en un plano perpendicular al eje optico. La lente Fresnel 41 actua como un elemento optico primario y esta orientada con respecto a la radiacion solar con la superficie trasera hacia una celula solar 42. La superficie delantera comprende una pluralidad de elementos lenticulares convergentes 47, correspondiendo cada elemento lenticular a una 20 estructura escalonada 46 para prefocalizar el haz incidente en las regiones de focalizacion de la superficie trasera de la lente. Cada unidad de modulo puede comprender un elemento optico secundario (SOE) 43 que sirve como “embudo” de luz para dirigir la luz enfocada por la lente Fresnel sobre la celula. Por ejemplo, el elemento optico secundario puede comprender una piramide truncada invertida reflectante con la abertura menor coincidente con el perimetro de la celula fotovoltaica. En una realization, la celula solar 42 esta montada en un receptor de soporte 48 25 que se encarga tanto de la disipacion termica como del aislamiento electrico del alojamiento 45 de la celula solar. Un difusor termico 44 esta conectado al receptor 48 para disipar el calor que esta asociado al funcionamiento de la celula y la concentration de los rayos solares.

[0099] En una realizacion, la superficie delantera de la lente escalonada y, con preferencia, tambien la superficie 30 trasera de la lente, estan revestidas con un revestimiento antirreflectante.

[0100] En una realizacion, el perfil de los elementos lenticulares de la lente escalonada esta adaptado para que tenga estructuras escalonadas en las cuales las facetas en pendiente son segmentos planos, cuando se ve en un plano transversal, y para que los rayos incidentes sobre la lente converjan en una region monofocal comun.

35

[0101] Las lentes escalonadas construidas mediante moldeo estan construidas, con preferencia, de materiales polimericos, tales como metacrilato de polimetilo (PMMA), poliestireno, o policarbonato.

[0102] En las realizaciones precedentes, se ha hecho referencia particular a una incidencia perpendicular a un 40 plano de incidencia a traves de la superficie delantera. En caso de aplicaciones de concentradores solares que

hacen uso de seguidores solares, los cuales siguen la direction del sol durante el dia, la condition de incidencia perpendicular representa una buena aproximacion de la direccion de la radiacion incidente durante el funcionamiento del concentrador solar. Sin embargo, la exactitud de seguimiento de la mecanica, la precision del montaje y la dilatation termica de los materiales que forman los elementos opticos ponen en practica una tolerancia de la 45 incidencia fuera del eje del concentrador solar.

[0103] Ademas, las pequenas desalineaciones entre las partes del equipo de seguimiento y/o entre los componentes del sistema optico (por ejemplo desalineaciones opticas entre la lente primaria y el SOE) y la celula solar pueden contribuir a desviar la incidencia de la normal.

50

[0104] Los inventores han observado que, incluso para una lente optica escalonada que presenta un perfil escalonado agudo “ideal”, para algunas aplicaciones, puede resultar ventajoso proporcionar un sistema optico para concentracion fotovoltaica que sea capaz de funcionar eficientemente dentro de un angulo de desviacion de la normal relativamente amplio, por ejemplo hasta aproximadamente 2° cuando el factor de concentracion es

55 aproximadamente 500x o superior.

[0105] Tal como se describio anteriormente, mediante la provision de una lente escalonada segun los principios generales de la invencion y en el supuesto de incidencia perpendicular de radiacion, la lente puede disenarse proporcionando una pluralidad de elementos lenticulares, correspondiendo cada uno a una estructura escalonada

respectiva de la superficie trasera, configurada para dirigir los rayos incidentes sobre una region de localization deseada A comprendida dentro de la parte en pendiente de las estructuras escalonadas.

[0106] La figura 10 ejemplifica el posible camino optico de un rayo incidente desviado de la normal en una lente 5 escalonada, la cual puede ser, por ejemplo, una lente Fresnel convencional (solo se muestran dos estructuras

escalonadas). Por simplicidad, se supone que la superficie delantera de la lente esta situada en un plano incidente principal. La lente Fresnel 50 tiene una superficie delantera 54 que esta situada en el plano incidente 52 y una superficie trasera que comprende una pluralidad de estructuras escalonadas. En las presentes realizaciones, las estructuras escalonadas 57 y 58 tienen un perfil “ideal” con facetas de despulla normales al plano incidente. El rayo 10 de luz 51 incide con un angulo de desviacion a con respecto al eje 53 perpendicular al plano incidente 52 en la superficie delantera 54 y que representa la direction normal. El rayo 51 es refractado en la superficie de separation con la superficie delantera de la lente y, dependiendo del valor del angulo a, en lugar de alcanzar la faceta en pendiente de la estructura escalonada 57 y luego ser refractado correctamente hacia la region focal, puede impactar en la faceta de despulla 56 en el punto 55 y ser reflejado totalmente hacia la faceta en pendiente 57. Finalmente sale 15 a traves de la faceta en pendiente de la estructura escalonada 57 con un angulo diferente. Por lo tanto, el rayo desviado de la normal puede ser refractado por la superficie trasera para salir de la lente con una direccion desplazada del foco (ejemplificada por el rayo refractado 59).

[0107] Los inventores han entendido que, proporcionando un perfil lenticular en la superficie delantera de la lente, 20 una vez que se determinan las regiones de focalizacion de las estructuras escalonadas, es posible disenar la lente

de tal manera que tambien los rayos que inciden en la superficie delantera de la lente con un angulo de desviacion dado a aun estan enfocados en la region focal deseada. Con preferencia, el angulo de desviacion es mayor de cero y no mayor de 2°.

25 [0108] En una realization, se define una region de focalizacion ampliada, A', para cada estructura escalonada alargando la faceta en pendiente fuera de la region A, mas alla del primer y segundo puntos de interceptacion, una primera y una segunda parte respectiva. En una realizacion, la region de focalizacion ampliada se determina mediante prolongation analltica del segmento A (region de focalizacion) en ambos lados opuestos, es decir, mas alla del primer y segundo puntos de interceptacion.

30

[0109] La figura 11 es una vista esquematica en corte transversal que muestra una section de lente que corresponde a una unica estructura escalonada para ejemplificar la refraction de la radiation perpendicular al plano de incidencia y de la radiacion que tiene un angulo de desviacion a respecto a la direccion perpendicular. La seccion de lente 60 muestra un elemento lenticular 61 comprendido en la superficie delantera de la lente y que es opuesto a

35 una estructura escalonada en la superficie trasera de la lente que tiene una faceta en pendiente 66 y una faceta de despulla 67. Un primer rayo 62 que tiene una primera direccion incidente que da en un primer borde periferico 76 del elemento lenticular es refractado en un rayo 80 que pasa por la lente e incide en la faceta en pendiente 66 de la estructura escalonada en un primer punto de interceptacion 71. En algunas realizaciones preferentes de la invention, los elementos lenticulares estan situados en un plano de incidencia comun y el primer rayo 62 es 40 perpendicular al plano comun. Un segundo rayo 63 paralelo al primer rayo 62 y que da sobre un segundo borde periferico 77 del elemento lenticular 61 es refractado en un rayo 79 que pasa por la lente e incide en la faceta en pendiente en un segundo punto de interceptacion 68. El rayo refractado 79 es refractado de nuevo en el primer punto de interceptacion para salir de la lente a lo largo de una direccion 74 hacia una zona focal. La parte de faceta en pendiente tomada en un plano transversal de la lente que comprende la primera y segunda direcciones incidentes 45 y que se extiende entre el primer y segundo puntos de interceptacion 71 y 68 define la longitud de focalizacion, L1, de la faceta en pendiente. Siendo L la longitud de la faceta en pendiente en el plano transversal y extendiendose entre los extremos 82 y 83 de la faceta en pendiente, en las realizaciones preferentes de la invencion, la parte de faceta en pendiente de la region de focalizacion A tiene una longitud Lf<L. La region de focalizacion A se extiende en la superficie trasera de la estructura escalonada por un area de longitud Lf.

50

[0110] A continuation se considera una radiacion incidente fuera del eje. Especlficamente, un tercer rayo 64 incidente en el primer borde periferico 76 en un angulo a respecto a la primera direccion incidente es refractado y da en la faceta en pendiente en un tercer punto de interceptacion 70 que esta mas proximo al extremo 82 de la faceta que el primer punto de interceptacion 71. Un cuarto rayo 65 incidente en el segundo borde periferico 77 en un angulo

55 a respecto a la primera direccion es refractado y da en la faceta en pendiente en un cuarto punto de interceptacion 69 que esta mas proximo al extremo 83 de la faceta que el segundo punto de interceptacion 68. La parte de faceta en pendiente tomada en el plano transversal de la lente y que se extiende entre el tercer y cuarto puntos de interceptacion 71 y 68 define una region de focalizacion ampliada A' de la faceta en pendiente, comprendiendo la region de focalizacion ampliada la region de focalizacion A. En el plano transversal, la longitud L1' de la region de

focalizacion ampliada no es menor que Li y para angulos sustancialmente diferentes de cero, por ejemplo mayores de 1-1,5°, es mayor que Lf. Con preferencia, LV<L. Con el fin de definir el perfil de la region de focalizacion ampliada A', puede llevarse a cabo una ampliacion matematica en el perfil calculado de la region de focalizacion A, por ejemplo ajustando el perfil calculado de la region de focalizacion A con una funcion polinomica y prolongando esta 5 mas alla de los extremos de la region de focalizacion A.

[0111] En la realizacion descrita con referencia a la fig. 11, se supone que los rayos incidentes son refractados a medida que entran y salen de la lente, es decir, la estructura escalonada es puramente refringente.

10 [0112] En la figura, las facetas en pendiente (y la faceta de despulla) se muestran en el plano transversal como segmentos. Sin embargo, pueden ser una llnea curvada, concretamente en algunas realizaciones la faceta en pendiente es una superficie curvada. La longitud, L, de la faceta en pendiente de una estructura escalonada se toma para que sea la distancia entre la cresta y el valle de la estructura.

15 [0113] La figura 12 informa de los resultados para un perfil de lente simulado obtenido mediante la solucion numerica de las ecuaciones diferenciales basadas en la aplicacion de la ley de Snell para rayos de luz que inciden con un angulo de desviacion de 2° (solo se ilustra una parte ejemplar de la lente). Los parametros de entrada de la lente son los mismos que los descritos con referencia a la fig. 7. Tambien se observa que en caso de la presencia de un angulo de desviacion de hasta 2°, se impide que la luz salga de la lente en las secciones que corresponden a las 20 facetas de despulla y en particular a las secciones que incluyen los extremos de las facetas de despulla. Los rayos refractados en las facetas en pendiente son dirigidos a una zona focal respectiva. La pluralidad de zonas focales de radiacion incidente en la pluralidad respectiva de estructuras escalonadas forman una region focal.

[0114] Aunque se ha hecho referencia a una zona focal de la lente, ha de entenderse que la lente puede estar 25 disenada para definir un punto/area focal en combinacion con un elemento optico adicional, tal como un elemento

optico secundario (SOE). En ese caso, la region focal es la del sistema optico que comprende una lente escalonada primaria y un SOE.

[0115] Tambien se observa que la invencion engloba una lente escalonada en la cual cada estructura escalonada 30 tiene un punto focal respectivo o una zona focal respectiva.

[0116] La figura 13 ilustra una lente optica escalonada segun una realizacion adicional de la invencion. Especlficamente, la fig. 13 es una vista en perspectiva de una lente prismatica 100 que comprende una superficie delantera 105 y una superficie trasera opuesta 106. La superficie trasera 106 comprende una parte central 104 y una

35 pluralidad de estructuras escalonadas contiguas 102 dispuestas hacia el exterior en direccion opuesta a la parte central 104. La superficie delantera 105 comprende una pluralidad de elementos lenticulares contiguos 101, teniendo cada elemento lenticular un primer y un segundo borde periferico 107a y 107b y estando dispuesto en correspondencia con una estructura escalonada respectiva 102 en un plano transversal (x,z). El plano de incidencia es el plano (x,y). Siendo, en esta realizacion, los elementos lenticulares contiguos, un borde periferico de un 40 elemento lenticular es en comun con un borde periferico de un elemento lenticular adyacente siguiente. La anchura de cada elemento lenticular definido por sus bordes perifericos es sustancialmente igual al paso de la estructura escalonada respectiva. La forma de los elementos lenticulares cuando se ve en una vista en planta desde arriba es cuadrada o rectangular y corresponde sustancialmente a la forma de las estructuras escalonadas en una vista en planta de la superficie trasera.

45

[0117] La figura 14 muestra un ejemplo de un perfil de lente calculado para una lente prismatica. En las abscisas, la anchura de la lente esta en mm y en las ordenadas el perfil de la lente esta en mm; sin embargo, las escalas no son iguales en los dos ejes, de manera que las pendientes solo son esquematicas y no realistas. La lente tiene una anchura total en un plano perpendicular al eje optico de 22,5 mm, cinco estructuras escalonadas y foco lineal

50 colocado en (0,-100 mm) en el plano transversal. Los elementos lenticulares tienen una seccion transversal circular con radio, Rl, de 12 mm y las estructuras escalonadas tienen una anchura de 5 mm. Para cada punto de la superficie delantera de un elemento lenticular, un punto de la faceta en pendiente de la estructura escalonada correspondiente se calcula siguiendo el procedimiento descrito anteriormente. La region de focalizacion de cada estructura escalonada se extiende 0,2 mm en cada lado mas alla de los puntos de interceptacion ajustando la region 55 de focalizacion con un polinomio cubico. En este ejemplo, el perfil de las facetas en pendiente es curvado hacia el interior de la lente, es decir, concavo.

[0118] En algunas aplicaciones, las lentes opticas puramente refringentes pueden presentar limitaciones flsicamente inherentes al concentrar la radiacion incidente.

[0119] Generalmente, una lente optica esta caracterizada por el numero f, f, el cual es la distancia focal, F, dividida por el diametro de la lente, considerando, solo por simplicidad, una lente circular. Por razones de compacidad y modularidad de los concentradores fotovoltaicos, a veces se prefiere que la distancia focal de la lente optica 5 concentradora no sea demasiado grande, por ejemplo, mayor de 150-200 mm, dependiendo el valor de muchos factores, tales como los detalles de construccion del concentrador fotovoltaico. Ademas, el solicitante ha observado que, por un angulo de desviacion dado desde la incidencia perpendicular, el desplazamiento en el plano focal es mayor para una distancia focal mas grande.

10 [0120] Por otra parte, cuanto mas pequeno sea el numero f, mas radiacion tiene que desviarse a traves de la lente desde la direccion incidente para concentrarse hacia un punto o area focal, es decir, la zona focal. Ademas, para la radiacion que incide en la superficie trasera en angulos menores que el angulo crltico, la parte de la luz reflejada, la cual se perdera de la concentracion, aumenta cuando el angulo se aproxima al angulo crltico, especialmente en caso de una lente escalonada refringente con un numero f, f, relativamente pequeno, disminuyendo as! la eficiencia 15 de la lente. En la practica, un numero f inferior a 1-1,2 puede disminuir la eficiencia del sistema optico concentrador hasta un nivel inaceptable.

[0121] Cuando la radiacion incidente incide en una faceta de las estructuras escalonadas de la superficie trasera con un angulo igual o mayor que el angulo crltico, tiene lugar reflexion interna total (TIR) y, en esa faceta, toda la

20 radiacion es reflejada, practicamente sin perdida. El solicitante se ha dado cuenta de que en algunas aplicaciones, en particular en algunas aplicaciones fotovoltaicas, el uso de una lente optica escalonada que use reflexion interna total, sola o en combinacion con refraccion, puede resultar ventajoso. Como generalmente es posible disenar una estructura escalonada de TIR con un angulo de salida relativamente, concretamente proporcionando una desviacion relativamente grande de la radiacion incidente mediante la lente, es posible producir una lente de alta eficiencia, por 25 ejemplo cercana al 90 % para una lente construida de PMMA, que tenga una distancia focal relativamente corta, por ejemplo no mayor de 150 mm, y con preferencia no mayor de 100 mm.

[0122] El solicitante ha observado que, para un paso dado, una estructura escalonada de TIR puede ser hasta tres veces mas profunda que una estructura escalonada refringente. Esto puede magnificar el problema de fidelidad de

30 reproduction de las estructuras en las lentes moldeadas con respecto a una lente escalonada puramente refringente. Por ejemplo, empleando tecnicas de moldeo comunes tales como el moldeo por inyeccion en la fabrication de lentes polimericas, en muchos casos es necesario un angulo de despulla finito, por ejemplo 4°, para permitir la extraction de la lente del molde, aumentando as! la redondez de las estructuras.

35 [0123] En una lente escalonada de TIR para concentracion de radiacion, la faceta de despulla tiene una funcion optica y, en consecuencia, en lentes convencionales que usan TIR, tiene que ser definida con exactitud. En particular, la luz incide sobre la superficie delantera, es decir, la superficie de separation delantera que convencionalmente es un segmento plano, da sobre la faceta en pendiente reflectante de una estructura escalonada, la cual la redirige sobre la faceta de despulla de la misma estructura, refractando a su vez el rayo que 40 sale. La superficie de despulla constituye de ese modo una superficie de separacion refringente para la radiacion incidente.

[0124] Los inventores han entendido que la provision de una superficie delantera que tiene un perfil lenticular, en la cual un elemento lenticular convergente esta dispuesto en correspondencia con cada estructura escalonada de 45 TIR, permite dirigir la radiacion incidente solo sobre una parte “central” de las facetas de despulla de las estructuras escalonadas, es decir, para evitar que la radiacion incidente choque con la superficie trasera en correspondencia con las crestas y los valles de las estructuras. Esto permite un mayor grado de flexibilidad en el diseno y/o la fabricacion de la lente, ya que la redondez de las crestas y los valles de las estructuras escalonadas pueden tolerarse, al menos para la radiacion incidente normal. Por ejemplo, en una lente escalonada de TIR con una 50 superficie delantera que comprende una pluralidad de elementos lenticulares que tienen un radio de curvatura de 5 a 100 pm, son posibles angulos de despulla entre aproximadamente 2° y 6° formados por la faceta de despulla con la normal al plano incidente de la lente sin perdida significativa de eficiencia optica con respecto a un angulo de despulla cero.

55 [0125] La figura 15 ilustra una parte de una lente escalonada que comprende una pluralidad de estructuras escalonadas de TIR espaciadas transversalmente, segun una realization de la presente invention. Cada estructura escalonada 92 comprende una faceta en pendiente 93 y una faceta de despulla 94. En la superficie delantera que recibe la radiacion incidente, representada por la flecha 90, esta provista una pluralidad de elementos lenticulares 91, correspondiendo cada elemento lenticular a una estructura escalonada respectiva 92 en la superficie trasera

opuesta. La faceta en pendiente 93 forma un angulo de pendiente 0 con el plano incidente que atraviesa la superficie delantera. La reflexion interna total se produce cuando el angulo de incidencia del rayo con la normal a la superficie es mayor que el denominado angulo crltico de la superficie de separacion, el cual viene dado por arcsin(1/n), siendo n el Indice de refraccion de la lente. Un rayo de luz entra a traves de un elemento lenticular de la superficie delantera 5 y da en la faceta en pendiente 93 con angulo 0>arcsin(1/n), la cual lo redirige por reflexion hacia la superficie de separacion de salida (faceta de despulla 94), comprendiendo las dos facetas de las estructuras escalonadas y la superficie delantera de la lente las superficies de separacion activas para ese rayo.

[0126] El perfil lenticular en la superficie delantera esta configurado para prefocalizar la radiacion incidente sobre la

10 region de focalizacion de la faceta en pendiente y redirigir la radiacion reflejada sobre la region de la faceta de

despulla que no incluye la cresta y el valle. Los rayos de luz 90a y 90b entran en los bordes perifericos respectivos de un elemento lenticular 91 y da en la faceta en pendiente 93 en el primer y segundo puntos de interceptacion respectivos 98 y 99 para ser reflejados hacia la faceta de despulla 94. Los rayos reflejaos en los puntos de interceptacion 98 y 99 inciden en la faceta de despulla en los puntos de interceptacion respectivos 96 y 97 para ser

15 refractados y salen de la lente como los rayos 95a y 95b dirigidos hacia una zona focal.

[0127] En una realizacion, la lente escalonada es una lente hlbrida que comprende una pluralidad de estructuras escalonadas que incluyen una primera subpluralidad de estructuras escalonadas refringentes espaciadas transversalmente con respecto a la radiacion incidente y una segunda subpluralidad de estructuras escalonadas de

20 TIR espaciadas transversalmente. Con preferencia, la segunda pluralidad de estructuras escalonadas esta dispuesta externamente a la primera pluralidad de estructuras escalonadas. Con mas preferencia, las estructuras escalonadas de la primera y segunda pluralidad son de forma anular en una vista en planta y la segunda pluralidad de estructuras escalonadas estan dispuestas concentricamente a la primera pluralidad.

25 [0128] La figura 16 ilustra una vista en corte transversal parcial de una lente escalonada hlbrida, segun una realizacion de la presente invencion. La lente 110 es una lente Fresnel que comprende una superficie trasera que tiene un perfil escalonado y una superficie delantera que comprende un perfil lenticular. En la figura solo se muestra la mitad de la lente. La superficie trasera comprende una pluralidad de estructuras escalonadas que incluye una primera subpluralidad 115 de estructuras escalonadas 117 que estan configuradas para refractar la radiacion

30 incidente, es decir, el angulo del rayo incidente en la faceta en pendiente de una estructura de la primera subpluralidad con la normal a la misma faceta en el punto incidente es menor que el angulo crltico, y una segunda subpluralidad 114 de estructuras escalonadas 116 que estan configuradas para usar TIR, es decir, el angulo del rayo incidente en la faceta en pendiente de una estructura con la normal a la misma faceta es igual o mayor que el angulo crltico.

35

[0129] Con preferencia, la lente 110 tiene una simetrla axial alrededor de un eje optico 119 de manera que la segunda mitad de la lente no mostrada es igual y especular con respecto a la primera mitad. Sin embargo, la realizacion no esta limitada a una lente simetrica axialmente. Por ejemplo, la segunda parte de la lente puede ser diferente de la primera parte, por ejemplo, comprende mas o menos estructuras escalonadas en la superficie trasera

40 y, en consecuencia, mas o menos elementos lenticulares.

[0130] Con preferencia, la lente hlbrida es de tipo Fresnel, concretamente ambas estructuras refringente y escalonada de TIR son de forma anular cuando se ve en un plano de incidencia, en este caso perpendicular al eje optico 119. La primera subpluralidad 115 de estructuras escalonadas refringentes 117 esta dispuesta

45 concentricamente en un plano perpendicular al eje optico alrededor de una parte central 121 de la superficie trasera. La parte central 121 puede tener una forma lenticular. La segunda subpluralidad 114 esta dispuesta perifericamente a la primera subpluralidad 115 de estructuras escalonadas. En particular, las estructuras escalonadas de TIR 116 estan dispuestas concentricamente alrededor del eje optico y perifericamente con respecto a las estructuras escalonadas refringentes 117.

50

[0131] La superficie delantera comprende una pluralidad de elementos lenticulares, estando situado cada elemento lenticular opuesto a una estructura escalonada correspondiente. En particular, una primera subpluralidad 111 de elementos lenticulares 118 esta dispuesta opuesta a la primera subpluralidad 115 de estructuras escalonadas y una segunda subpluralidad 112 de elementos lenticulares 113 esta dispuesta opuesta a la segunda

55 subpluralidad 114 de estructuras escalonadas. El numero de elementos lenticulares de la primera subpluralidad 111 corresponde al numero de las estructuras escalonadas de la primera subpluralidad 115. El numero de elementos lenticulares de la segunda subpluralidad 112 corresponde al numero de las estructuras escalonadas de la segunda subpluralidad 114. Una parte central 120 de la superficie delantera que corresponde a la parte central 121 de la superficie trasera puede comprender un elemento lenticular o ser plana.

[0132] Con preferencia, la pluralidad de elementos lenticulares comprende una primera subpluralidad y una segunda subpluralidad. Los elementos lenticulares de la primera subpluralidad corresponden a estructuras escalonadas refringentes. Los elementos lenticulares de la segunda subpluralidad corresponden a estructuras

5 escalonadas de TIR.

[0133] Las realizaciones preferentes de la invencion ilustradas en las figuras se refieren a una lente optica que tiene simetrla axial. Ha de entenderse que la presente invencion engloba una lente escalonada en la cual la pluralidad de estructuras escalonadas estan dispuestas asimetricamente en la superficie trasera de la lente y, mas

10 en general, la lente no tiene simetrla axial.

[0134] Aunque las realizaciones preferentes de la invencion se refieren a una lente optica escalonada para concentradores fotovoltaicos y, mas en general, para concentradores solares, la lente optica segun la presente invencion engloba otras aplicaciones que requieren convergencia de luz desde un area regional relativamente

15 grande hasta una abertura significativamente menor. En particular, la falta de definicion de las estructuras escalonadas debido a la baja fidelidad de reproduccion puede degradar la calidad de imagen en aplicaciones de formacion de imagenes.

[0135] Ademas, el solicitante cree que la provision de una lente escalonada que permita la convergencia de 20 radiacion incidente que esta desviada de la normal unos pocos grados puede resultar ventajosa en aplicaciones de

formacion de imagenes, por ejemplo en proyectores de video y aplicaciones fotograficas.

Apendice A

25 [0136] Se hace referencia a la fig. 17 para las convenciones de slmbolos y angulos en el sistema de coordenadas usado en este apendice y en las siguientes ecuaciones.

[0137] Se considera una lente optica escalonada monofocal con Indice de refraccion n. Se establece un sistema de coordenadas cartesianas 2D (x,z) de tal manera que el eje optico corresponde al eje z y el origen del sistema

30 esta colocado en el centro de uno de los perfiles lenticulares de la lente (en la parte inferior de la figura) con respecto al plano de incidencia que pasa a traves del eje x y perpendicular al eje z. Se observa que dentro de la descripcion de este apendice y con referencia a la fig. 17, la lente esta orientada con la superficie delantera situada hacia abajo de la superficie trasera, de la cual sale la luz, en el semiespacio de valores de z negativos, donde el eje z, a diferencia de la convencion mostrada en el resto de las figuras, apunta hacia la superficie trasera de la lente.

35

[0138] La radiacion incidente incide en un perfil lenticular circular en un punto (xp, zp) en el cual la perpendicular al perfil forma un angulo y con el eje z.

[0139] Se calcula el perfil de la superficie trasera de la lente que corresponde al perfil lenticular, con la condicion 40 de que la radiacion incidente converja a un unico punto focal colocado en (xf, zf) y la faceta en pendiente de las

estructuras escalonadas refracta la radiacion incidente que despues sale a lo largo de una direccion convergente. Llamando (xq, zq) a las coordenadas del punto generico de la faceta en pendiente de una estructura escalonada de la cual sale un rayo generico, son validas las siguientes ecuaciones. Por convencion, el signo de los angulos se toma con referencia al sistema de coordenadas.

45

[0140] Con referencia a la fig. 17 y al sistema de coordenadas escogido, el angulo de salida, p’, formado con el eje z es:

x - z

tan f3'=—------ (1)

zq - z/

50

[0141] Aplicando la ley de Snell, el angulo de salida p’ esta relacionado con el angulo p del rayo refractado por el elemento lenticular y con el angulo 9 del rayo refractado por la faceta en pendiente por:

n ■ sin(^ + b) = sin( j + b )

donde el angulo 9 esta definido por

(2)

tan j-

<K

dx„

(3)

[0142] Aplicando nuevamente la ley de Snell en el punto generico (xp, zp) del perfil lenticular, el angulo incidente y 5 puede estar relacionado con el angulo p por:

10

sin g = n sin(g-b)

y con el radio de curvatura del perfil lenticular, p, por:

x„

sing= —

P

(4)

(5)

[0143] El rayo refractado que se propaga dentro de la lente esta relacionado con las coordenadas de la faceta en pendiente de la estructura escalonada (xq, zq) y con las coordenadas (xp, zp) del punto de entrada en la superficie del 15 elemento lenticular por:

tan b'

Xq - XV Zq - ZP

(6)

20

[0144] La ecuacion diferencial que determina el perfil de la superficie trasera viene dada por la siguiente relacion:

dzq dzq dxp

tan j = —- = —q---—

dxq dxp dxq

(7)

Para resolver la ecuacion, se toma la coordenada Xp como variable independiente:

25

(dZ-

dx.

= tan j

f dx ^

-1 r

l ‘dx- j

= tan j l

dx-

dx

(8)

[0145] Como Xq = tan p(zq, zp) + Xp'

dx-

dx„

d

dx„

tan b

(z- - ) +tan b

^ dz dz ^

v dxp dx— j

+1

30

[0146] Combinando la ec. (9) con la ec. (8) se obtiene la siguiente relacion:

(9)

dzn

tan j

dx 1 - tanjtan b

d

dx„

tan b

dz— „ ,

(z-- z—) - dxr tan b+1'

(10)

d 0 dz—

35 [0147] Expresando las cantidades ------tanb, tan jy -------en terminos de Xp, la ec. (10) puede escribirse

dxp dxp

como:

dzp

dxp

- tang

(11)

n sin(p + p) = sin( p + p )

n[tan pcos p + sin p] = tan pcos p+ sin p

* tan p(n cos p - cos p ) = sin p-n sin p

n sin p- sin p

tan p =--------------—

n cosp- cosp

5 [0148] Expresando la ec. (12) en terminos de los angulos p y y

10

p

n sin(g-p)

f

p-g = arcsin

xr

{ nP)

dp

dxp

1

2 2

n p - x

2

p

1

imagen1

- x

2

p

(12)

(13)

d tan p

dxp

= (1 + tan p)

1

nP2- XP

1

imagen2

- X

2

p

15 [0149] Los angulos p y p' son:

g = - arcsinl

p

p=g- arcsin[n 1 sin g]

p' = arctan

xz - x, z/ -

x

p

(14)

[0150] Finalmente, la interseccion del rayo refractado con la superfine trasera (es decir, la faceta en pendiente) 20 viene dada por:

zp - (X, ) = (Xp - Xq )/tan p

zq (Xq) + (Xp - xq )/tan p-Zp = 0

[0151] Usando la ec. 15, es posible determinar las coordenadas (xq, zq) de cada punto en la superficie trasera para 25 cada punto de entrada (xp, zp) de un rayo que corresponde a cada punto del perfil lenticular situado en la superficie delantera. De tal manera, se determina el perfil de la region de focalizacion de la faceta en pendiente.

[0152] Repitiendo el mismo procedimiento para todos los elementos lenticulares, pueden determinarse los perfiles de todas las regiones de focalizacion correspondientes respectivas de las facetas en pendiente, para determinar todo el perfil de la lente.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un concentrador solar (40) que comprende:

   5 al menos una celula solar (42) que comprende una superficie delantera, y

   un sistema optico que concentra la radiacion solar hacia la celula solar, comprendiendo el sistema una lente optica escalonada (41; 20; 100; 110) que tiene una superficie delantera (21; 105) para recibir la radiacion solar y una superficie trasera opuesta (22; 106) enfrente de la superficie delantera de la celula solar, teniendo la superficie 10 trasera un perfil escalonado que define una pluralidad de estructuras escalonadas (46; 24; 102; 116, 117), en el que:

   cada estructura escalonada, en un plano transversal de la lente, tiene una forma de dientes de sierra y esta formada por una faceta en pendiente (29; 66; 93) y una faceta de despulla (28; 67; 94), teniendo las facetas en pendiente y de despulla inclinaciones diferentes, estando cada estructura escalonada caracterizada por un paso (P), en el que 15 la faceta en pendiente se extiende por una primera longitud en el plano transversal y la faceta de despulla se extiende por una segunda longitud en el plano transversal; la superficie delantera de la lente comprende una pluralidad de elementos convergentes lenticulares contiguos (47; 23; 101; 113, 118), teniendo cada elemento lenticular un primer y un segundo borde periferico y una anchura (wl) que se extiende entre el primer y el segundo bordes perifericos;

   20

   cada elemento lenticular esta situado opuesto a una estructura escalonada correspondiente, correspondiendo el numero de la pluralidad de elementos lenticulares al numero de la pluralidad de estructuras escalonadas, y

   cada elemento lenticular tiene una superficie convexa hacia el exterior en el plano transversal y una anchura igual al 25 paso de la estructura escalonada correspondiente.
2. 2. El concentrador de la reivindicacion 1, en el que la superficie trasera comprende una parte central, estando dispuesta la pluralidad de estructuras escalonadas exteriormente a la parte central.

   30 3. El concentrador de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada estructura

   escalonada tiene un paso comprendido entre 0,1 mm y 10 mm.
3. 4. El concentrador de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada elemento lenticular tiene un perfil de arco circular en el plano transversal con un radio (Rl) igual a al menos tres veces el paso

   35 de la estructura escalonada correspondiente.
4. 5. El concentrador de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos lenticulares tienen una relacion de aspecto comprendida entre 0,005 y 0,05.

   40 6. El concentrador de la reivindicacion 1, en el que el grosor mlnimo de la lente no es menor de 3 mm y,

   con preferencia, no mayor de 5 mm.
5. 7. El concentrador de la reivindicacion 1 o 6, en el que una profundidad maxima de una estructura escalonada se define como la diferencia de longitud transversal entre el grosor maximo y el grosor mlnimo de la

   45 lente y no es mayor de 1,5 mm, con preferencia no mayor de 1 mm.
6. 8. El concentrador de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la lente escalonada es una lente Fresnel (41; 20; 110) con simetrla axial y las estructuras escalonadas tienen una forma anular en el plano.

   50 9. El concentrador de la reivindicacion 1, en el que al menos una primera subpluralidad (114) de la

   pluralidad de estructuras escalonadas usan reflexion interna total, comprendiendo cada estructura escalonada (92; 116) de la primera subpluralidad una faceta en pendiente reflectante (93) y la faceta de despulla (94) recibe un primer y un segundo rayo (90a, 90b) refractados por la superficie delantera de la lente y reflejados por la faceta en pendiente desde el primer y segundo puntos de interceptacion respectivos (98, 99) en el quinto y sexto puntos de 55 interceptacion respectivos (96, 97) de la faceta de despulla, y en el que la faceta de despulla se extiende por una segunda longitud en el plano transversal y la parte de faceta que se extiende entre el quinto y el sexto punto de interceptacion se extiende dentro de la segunda longitud.
7. 10. El concentrador de la reivindicacion 9, en el que la pluralidad de estructuras escalonadas (114, 115)

   comprende ademas:

   una segunda subpluralidad (115) de estructuras escalonadas que usan refraccion, en el que cada estructura (117) de la segunda pluralidad comprende una faceta en pendiente refringente, y en el que 5

   el primer y el segundo rayo incidente que dan en la faceta en pendiente refringente de una estructura escalonada (117) de la segunda subpluralidad en el primer y el segundo punto de interceptacion respectivos de la faceta en pendiente son refractados para salir de la lente.

   10 11. Un procedimiento para disenar una lente escalonada (41; 20; 100; 110) para un concentrador solar,

   comprendiendo la lente escalonada una superficie delantera para recibir una radiacion incidente, y una superficie trasera opuesta que comprende un perfil escalonado que define una pluralidad de estructuras escalonadas (46; 24; 102; 116; 117), teniendo cada estructura escalonada una forma de dientes de sierra en un plano transversal de la lente y estando formada por una faceta en pendiente (29) y una faceta de despulla (28), teniendo las facetas en 15 pendiente y de despulla inclinaciones diferentes, en el que:

   la faceta en pendiente se extiende por una primera longitud en el plano transversal y la faceta de despulla se extiende por una segunda longitud en el plano transversal;

   20 la superficie delantera de la lente comprende una pluralidad de elementos convergentes lenticulares contiguos (47; 23; 101; 113, 118), teniendo cada elemento lenticular un primer y un segundo borde periferico y una superficie convexa hacia el exterior en el plano transversal, comprendiendo el procedimiento:

   - seleccionar una pluralidad de parametros de entrada de la lente, incluyendo los parametros de entrada un grosor 25 mlnimo de la lente; un Indice de refraccion de la lente; una posicion del foco optico con respecto a la lente; un

   numero de estructuras escalonadas; un angulo de despulla y un paso para cada estructura escalonada; un numero de elementos lenticulares establecido para que sea igual al numero de estructuras escalonadas; una relacion de aspecto y una anchura de cada elemento lenticular que corresponde a una estructura escalonada respectiva, en el que la anchura se define ente el primer y el segundo borde periferico,

   30

   - establecer la anchura de cada elemento lenticular para que sea igual al paso de la estructura escalonada correspondiente;

   - calcular el perfil de una region de focalizacion de cada estructura escalonada usando los parametros de entrada 35 para cada estructura escalonada y su elemento lenticular correspondiente

   calculando, aplicando la ley de Snell, un camino optico de un primer rayo (30) incidente perpendicularmente en un primer borde periferico (34b) del elemento lenticular (23b) que corresponde a cada estructura escalonada dentro de la lente y que surge de la superficie trasera de la lente, en el que la posicion en la cual el camino optico del primer 40 rayo intercepta la superficie trasera constituye un primer punto de interceptacion (32) de la faceta en pendiente (29) de la estructura escalonada respectiva, el cual define en la superficie trasera un primer borde de la region de focalizacion, y

   calculando, aplicando la ley de Snell, un camino optico de un segundo rayo (31) incidente perpendicularmente en un 45 segundo borde periferico (34c) del elemento lenticular y que surge de la superficie trasera de la lente, en el que la posicion en la cual el camino optico del segundo rayo intercepta la superficie trasera constituye un segundo punto de interceptacion (33) de la faceta en pendiente (29) de la misma estructura escalonada, el cual define en la superficie trasera un segundo borde de la region de focalizacion de manera que se determina la extension de la region de focalizacion.

   50
8. 12. El procedimiento de la reivindicacion 11, que comprende ademas determinar el perfil de la region de

   focalizacion calculando el camino optico de los rayos normales incidentes en el elemento lenticular en una pluralidad de posiciones intermedias al primer y segundo bordes perifericos.

   55 13. El procedimiento de la reivindicacion 11, en el que, con la condicion de que la radiacion incidente

   converja a un unico punto focal, el calculo del perfil de la region de focalizacion de cada estructura escalonada se efectua determinando las coordenadas (xq, zq) de cada punto en la superficie trasera como la interseccion de un rayo refractado con la superficie trasera para cada punto de entrada (xp, zp) del rayo que corresponde a cada punto del perfil lenticular situado en la superficie delantera segun las siguientes ecuaciones:

   ^ - zq (xq ) = (xp - xq )/tan b Zq (Xq ) + (Xp - Xq ) / tan b -Zp = 0

   siendo p el angulo del rayo refractado por el elemento lenticular,

   5

   comprendiendo ademas el procedimiento repetir el mismo procedimiento para todos los elementos lenticulares para determinar los perfiles de todas las regiones de focalizacion correspondientes respectivas de las facetas en pendiente y, en consecuencia, todo el perfil de la lente.