ES2624613T3 - Concentrador solar para sistemas fotovoltaicos - Google Patents

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ES2624613T3 ES14738373.1T ES14738373T ES2624613T3 ES 2624613 T3 ES2624613 T3 ES 2624613T3 ES 14738373 T ES14738373 T ES 14738373T ES 2624613 T3 ES2624613 T3 ES 2624613T3
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Abstract

Concentrador solar (1, 2) para sistemas fotovoltaicos que comprende un sistema óptico primario (1) y un elemento óptico secundario (2), estando el sistema óptico primario dotado de un paraboloide fuera del eje u otros medios para enfocar la radiación solar sobre el elemento óptico secundario que actúa como un homogeneizador, caracterizado por que el homogeneizador (2) tiene la forma de una pirámide truncada o de cono truncado y está dotado de una abertura superior (IN) no perpendicular al eje de simetría central del homogeneizador (K - K) para adaptarse a las aberraciones del sistema óptico primario, para obviar significativamente los errores de apuntamiento al sol y maximizar la captura de los rayos procedentes del sistema óptico primario (1).

Description

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DESCRIPCION
Concentrador solar para sistemas fotovoltaicos.
[0001] La invencion se refiere a un concentrador solar de reflexion para sistemas opticos fotovoltaicos que trabajan bajo un factor de alta concentracion, en particular, un concentrador hecho por un sistema optico primario que puede conseguirse con un paraboloide fuera del eje u otra superficie equivalente con el fin de reflejar los rayos solares, tal como una porcion de una superficie esferica o eliptica u otras superficies curvadas adaptadas para enfocar la radiacion (superficies que se denominaran convencionalmente "paraboloide/s" a continuacion), y por un elemento optico secundario que actua principalmente como un homogeneizador y tambien como un concentrador de los rayos solares en una celula de recogida.
Tecnica anterior
[0002] Las tecnicas de concentracion solar de reflexion que funcionan bajo un factor de alta concentracion usan en su mayor parte sistemas simetricos con respecto a un eje central (tipo Cassegrain). La ventaja de estos sistemas es que son equipos muy compactos, mientras que la desventaja es que tienen un oscurecimiento central causado por la optica secundaria o por la celula de recogida, lo que afecta a la eficacia de la recogida.
[0003] Otros sistemas que usan concentradores parabolicos fuera del eje montan la celula en la posicion superior o en su media altura. Estas disposiciones no ayudan a la disipacion de calor que, en estos casos, puede realizarse en el lado superior, el lado iluminado por el sol, o en la pared lateral que, en un sistema completo, normalmente no esta directamente expuesta al exterior, reduciendo de este modo la eficiencia del calor. Los documentos US2009/114213A y US 4 114 592A describen concentradores solares.
[0004] Para un sistema que utiliza el mismo sistema optico primario que comprende un paraboloide fuera del eje, el uso de cualquier homogeneizador convencional con forma de piramide truncada o de cono truncado no permite obtener los maximos rendimientos en cuanto a aceptacion angular. La aceptacion angular se refiere, en este campo tecnico, al angulo de desalineacion maximo aceptable entre la fuente, el sol y el sistema optico de recogida y concentracion. Como desalineacion angular maxima aceptable se define normalmente aquella en la que la eficiencia de la recogida de radiacion es mayor que una fraccion del valor maximo, fraccion que, por ejemplo, puede ser del 90 %.
[0005] En particular, en este campo se conocen los documentos U.S. 7.607.429 B2, U.S. 5.180.441 y U.S. 2010/0275972 A1. El primer documento muestra un colector que concentra la radiacion en una direccion y utiliza una pluralidad de espejos como elementos primarios opticos que envian las radiaciones a un elemento secundario optico tambien del tipo de reflexion, pero de tipo simetrico. El segundo documento desvela un panel de concentrador solar que implica una serie de espejos parabolicos cilindricos fuera del eje con una disposicion optica de celulas solares de longitud focal relativamente reducida y dispuestos para convertir la luz solar en electricidad, utilizandose las superficies traseras de los espejos como soporte para las celulas solares y como superficies disipadoras de calor para las celulas montadas sobre ellas; la luz solar reflejada puede dirigirse a las celulas solares montadas en la parte posterior de los espejos adyacentes. El tercer documento desvela un concentrador fuera del eje que incluye una camara definida por una pared receptora, una pared reflectante y al menos dos paredes finales, definiendo conjuntamente un objeto tridimensional dotado de una entrada en la que un eje vertical de la camara es generalmente perpendicular a la entrada e incluye un receptor montado en la pared de la camara receptora, portando el receptor al menos una celula fotovoltaica, estando dispuesto un eje vertical del receptor segun un angulo diferente de cero con respecto al eje vertical de la camara y siendo adecuadas otras disposiciones para alinear el elemento optico con el receptor.
Inconvenientes de la tecnica anterior.
[0006] En general, el uso de un homogeneizador convencional, que tiene una abertura superior paralela al plano de la celula, no permite recoger mejor los rayos desde un paraboloide fuera del eje en presencia del desalineacion del sistema de recogida de la radiacion relativa al sol. En particular, los documentos U.S. 5.180.441 y U.S. 2010/0275972 A1 se refieren a soluciones en las que se usan paraboloides fuera del eje para el enfoque del haz, pero sin un homogeneizador. Ademas, la celula se coloca en el nivel superior del modulo (es decir, del conjunto de concentradores) y no en el nivel inferior como se propone en esta invencion que, en su lugar, favorece la disipacion termica de la celula fotovoltaica. El documento U.S. 7.607.429 B2 desvela un concentrador de tipo cilindrico que, no obstante, tiene un homogeneizador de forma simetrica, con la seccion superior paralela a la seccion del plano de la celda.
Problema tecnico resuelto por la invencion
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[0007] El problema que la invencion resuelve por medio de los sistemas opticos primario y secundario es concentrar la radiacion solar en la celula de una manera convenientemente alta y uniforme y asegurar al mismo tiempo una alta aceptacion angular del sistema optico global.
Divulgacion de la invencion
[0008] El concentrador solar inventado esta convencionalmente constituido por un sistema optico primario realizado con un paraboloide fuera del eje y un elemento optico secundario que actua como un homogeneizador que, de una nueva forma, presenta su propia abertura de entrada para la radiacion (a continuacion "abertura superior") en una posicion no perpendicular a su eje central de simetria, una posicion que en la siguiente descripcion se denominara convencionalmente "oblicua" y que esta adaptada para recoger la parte de la radiacion que se perderia si fuera paralela al plano de la abertura de salida del homogeneizador ("abertura inferior"), que a su vez, es paralela al plano de la celula fotovoltaica subyacente y que permite rastrear la posicion de "mejor enfoque" creada por las aberraciones del paraboloide fuera del eje, recogiendo de este modo un mayor numero de rayos, mejorando asi las caracteristicas de la aceptacion angular del sistema en presencia de desalineaciones, sin cambiar la eficiencia maxima obtenible por el sistema optico.
[0009] La razon de la seccion transversal oblicua esta relacionada con las aberraciones producidas por el paraboloide fuera del eje o, de todos modos, por una optica de enfoque de la radiacion que funciona de forma no simetrica. El comportamiento asimetrico del paraboloide fuera del eje en funcion de la desalineacion solar en el plano medio significa que la posicion del "mejor enfoque" (el punto de mejor enfoque de los haces procedentes del paraboloide fuera del eje) se desplaza a lo largo de una linea no necesariamente recta y no paralela al plano de la celda situada en la parte inferior del homogeneizador.
[0010] Como sera evidente a partir de los ejemplos de realizacion, el sistema maximiza la recogida de la radiacion en altos angulos de desalineacion solar sin tener que aumentar la pendiente de la piramide o el cono, es decir, el angulo en el apice de la piramide o el cono del que se obtiene el homogeneizador, aumento de pendiente que pondria en peligro la eficiencia del concentrador.
[0011] Observese que una extension de todo el homogeneizador, para mantener la forma convencional, daria como resultado el bloqueo de algunos rayos en presencia de ciertas desalineaciones, como se observara en algunas de las figuras adjuntas.
[0012] Esto es una evidencia de que en esta configuracion optica la forma optima del homogeneizador no puede ser la convencional, sino que la forma debe tener una abertura superior en una posicion oblicua con respecto a su eje central de simetria.
[0013] Las aberraciones generadas por el paraboloide fuera del eje hacen que el mejor enfoque, en una primera aproximacion, se desplace a lo largo de una linea oblicua recta.
[0014] El angulo de inclinacion de dicha posicion oblicua se determinara en funcion de las caracteristicas geometricas del paraboloide fuera del eje y de la inclinacion del homogeneizador con respecto al espejo primario.
[0015] En principio, el perfil de la abertura superior tambien podria ser curvado en el caso en el que el mejor enfoque producido por las aberraciones se desplace a lo largo de una linea no recta.
[0016] El homogeneizador con abertura superior oblicua puede tener una forma de piramide truncada, una forma de cono truncado u otra forma mixta que se describira en uno de los ejemplos de realizacion.
[0017] Se ha de apreciar que, para optimizar la recogida de la radiacion, el eje central de simetria del homogeneizador se inclina unos pocos grados con respecto al eje optico procedente del espejo primario, lo que permite optimizar el acoplamiento entre el sistema optico primario y el elemento optico oblicuo secundario.
[0018] Los efectos del homogeneizador inventado se muestran preliminarmente en las graficas de las figuras A, B, C, donde se comparan los tamanos de las areas definidas por las curvas de iso-eficiencia del sistema optico, dependiendo de los angulos ortogonales de la desalineacion del sol. Cuanto mayor es el area definida por las curvas de iso-eficiencia, mayor es la aceptacion angular del sistema. La comparacion entre dichos tamanos se realiza manteniendo la forma del paraboloide fuera del eje y simulando tanto un homogeneizador convencional en forma de piramide truncada como un homogeneizador en forma de piramide truncada con una abertura oblicua superior.
[0019] En el ejemplo de la figura A, el angulo de desalineacion en el plano considerado (el que se beneficia del uso del presente nuevo homogeneizador) es el angulo Phi. La figura muestra la curva de iso-eficiencia al 90 % del valor maximo de eficiencia en funcion de los angulos de la desalineacion ortogonal, obteniendose la curva mediante
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un homogeneizador convencional en forma de piramide truncada.
[0020] La figura B muestra la curva de iso-eficiencia al 90 % del valor maximo de eficiencia en funcion de los angulos de desalineacion ortogonal, obteniendose la curva con un homogeneizador en piramide truncada convencional modificado para tener una abertura oblicua superior.
[0021] La figura C muestra la comparacion entre las curvas de iso-eficiencia al 90 % del valor maximo de eficiencia obtenida con los dos homogeneizadores: la curva discontinua se refiere a un homogeneizador convencional, toda la curva se refiere a un homogeneizador con abertura oblicua superior. Como puede verse a partir de la comparacion entre dichas dos curvas, en el caso de un concentrador que hace uso de un homogeneizador fabricado con una abertura oblicua superior con respecto al eje central de simetria, se produce un aumento de la aceptacion angular media (equivalente al area inscrita en la curva).
[0022] Las curvas de iso-eficiencia se calculan al 90 % del valor maximo, siendo este valor utilizado tipicamente para definir la aceptacion angular. El resultado obtenido es, sin embargo, de tipo general y tambien se aplica a curvas de iso-eficiencia calculadas con porcentajes diferentes.
[0023] Sin embargo, la misma observacion podria extenderse al angulo ortogonal de desalineacion. De hecho, se puede considerar un paraboloide que actua fuera del eje tambien con respecto al segundo eje de desalineacion; esto haria que el homogenizador cambiara a un angulo del sistema optico. En el caso anterior, tambien en el otro plano de desalineacion, el identificado por el angulo theta, se beneficiaria de una inclinacion de la abertura oblicua superior en el homogeneizador.
[0024] Una alternativa al homogenizador mostrado anteriormente es un homogeneizador dotado de una abertura superior oblicua circular o eliptica que se convierte en una abertura inferior cuadrada o rectangular.
[0025] Para aclarar el significado de "oblicua" referido a la abertura superior del homogeneizador, se observa que la oblicuidad de dicha abertura con respecto al eje principal de simetria del homogeneizador es la oblicuidad con respecto a una u otra de los dos direcciones de desalineacion con respecto a una direccion de desalineacion intermedia a las dos mencionadas anteriormente, tambien con respecto al plano de la celda.
Ventajas de la invencion
[0026] La geometria del sistema es tal que mantiene la posicion de la celda en la parte inferior del sistema optico y hace posible el uso de sistemas de seguimiento menos eficaces para rastrear el sol y ayudar a la disipacion de calor que se produce eficazmente aprovechando, como elemento disipador, la pared inferior del homogeneizador que esta expuesta al exterior y se situa ventajosamente en la sombra. Ademas, en caso de desalineacion del sistema receptor, se mejora la eficiencia de recogida, la homogeneizacion y la concentracion de la radiacion luminosa gracias a la mayor aceptacion angular que ofrece el homogeneizador. Finalmente, el uso de un paraboloide fuera del eje como optica primaria, o una forma similar adecuada para enfocar la radiacion solar sin obstruccion del haz entrante, evita oscurecer parte del area de recogida y maximiza la radiacion capturada.
Descripcion detallada de la invencion
[0027] La invencion se describira ahora con mas detalle con ejemplos de realizacion y la ayuda de dibujos esquematicos, en los que
- las figuras 1a, 2 - 5 y 10, 11 son vistas en planta y
- las figuras 1b, 6a - 9 son vistas tridimensionales.
La figura 1 muestra un sistema de concentracion compuesto por un paraboloide fuera del eje, o espejo primario 1, y por un homogeneizador 2. El espejo primario es capaz de enviar la radiacion solar dentro del homogeneizador que tiene una forma adecuada para recoger en el mejor de los casos la radiacion solar 3a, 3b, 3c procedente del espejo primario 1 y enviarla a la celula fotovoltaica 4 que convierte la radiacion electromagnetica en corriente electrica.
La figura 1b muestra las dos direcciones de desalineacion Phi y Theta consideradas para simular la desalineacion de los rayos solares con respecto al sistema optico de recogida. La desalineacion Phi se encuentra en el plano del dibujo y la desalineacion Theta se encuentra en el plano ortogonal al dibujo y que pasa a traves del haz 3b considerado en la condicion de desalineacion nula.
La figura 2a muestra un homogeneizador 2 de forma convencional en el que los rayos 3d y 3e se reflejan desde la superficie reflectante del homogeneizador hasta que llegan a la celula fotovoltaica 4 en la parte inferior del homogeneizador. La abertura superior IN del homogeneizador 2 es paralela a la abertura inferior y no esta optimizada para recoger la radiacion entrante en el mejor de los casos.
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La figura 2b muestra un homogeneizador que, conformado como un cono truncado con una abertura superior oblicua con respecto al eje central de simetna, es adecuado para recoger la cantidad maxima de radiacion procedente del espejo primario (del cual se muestran dos rayos 3d y 3e) y distribuirla uniformemente en la celda fotovoltaica 4. La abertura superior de homogeneizador IN, oblicua con respecto al eje central de simetna, es tambien oblicua con respecto a una u otra de las dos direcciones de desalineacion o con respecto a una direccion de desalineacion intermedia a las dos anteriores.
La figura 3a muestra un homogeneizador 2 conformado de acuerdo con la invencion en el caso en el que el sol esta alineado con el sistema optico de recogida. Los rayos 3d y 3e procedentes del espejo primario estan enfocados cerca del centro de la abertura superior IN del homogeneizador 2, cuya abertura superior es una superficie delimitada por el perfil p
La figura 3b muestra un homogeneizador 2 en el caso en el que el sol tiene una desalineacion positiva en una direccion con respecto al espejo primario, y luego con respecto a todo el sistema optico de recogida. Los rayos 3f y 3g, procedentes del espejo primario, estan enfocados en la proximidad de un borde de la abertura superior IN del homogeneizador 2 y se envfan a la celda 4. Como es bien sabido, la mezcla (homogeneizacion) de los rayos en la celula fotovoltaica 4 normalmente se produce como resultado de una serie de rebotes dentro del homogeneizador 2, que por simplicidad de representacion no se muestran en la figura.
La figura 3c muestra un homogeneizador 2 en el caso en el que el sol tiene una desalineacion negativa en una direccion con respecto al sistema optico de recogida. Los rayos 3f y 3g, procedentes del espejo primario estan enfocados en la proximidad de un borde de la abertura superior IN del homogeneizador 2 y se envfan a la celula fotovoltaica 4. Como se sabe, la mezcla (homogeneizacion) de los rayos en la celda 4 se produce normalmente como resultado de una serie de rebotes dentro del homogeneizador 2 no mostrados en el dibujo. Ha de apreciarse que, en las figuras 3a, 3b y 3c, el mejor enfoque, es decir, el punto donde los rayos se encuentran en la entrada del homogeneizador, no se encuentra a la misma distancia de la celula, sino que varfa debido a las aberraciones producidas por la optica primaria en funcion de la desalineacion solar. El efecto de la desalineacion solar en el enfoque del haz que entra en el homogeneizador queda claro en la siguiente figura.
La figura 3d muestra, de hecho, como una desalineacion del haz de luz solar con respecto al sistema optico de recogida hace que el haz se enfoque sobre una superficie sustancialmente plana, no paralela al plano de la celula debido a las aberraciones presentes en el sistema optico. La maximizacion de la recogida de rayos solares, luego la maximizacion de la aceptacion angular del sistema optico, se obtiene cuando la abertura superior IN del homogeneizador 2 sigue la forma de dicha superficie no paralela al plano de la celula fotovoltaica 4. FO1, FO2, FO3 indican el frente de onda de la radiacion incidente que se enfocara respectivamente en P1, P2, P3.
La figura 4 muestra el efecto de la extension EX de un lado del homogeneizador 2. El sistema maximiza la recogida de radiacion en altos angulos de desalineacion solar sin tener que aumentar el angulo en el vertice del cono de origen, una operacion que pondna en peligro la eficiencia del concentrador. El radio 3h es recogido por el homogeneizador y enviado a la celula fotovoltaica y 4, mientras que si la forma del homogenizador ha sido la convencional, mostrada con el perfil 5, se perdena el radio 3h como se muestra con la extension 3hp.
La figura 5 muestra el efecto de acortar el lado 2X en el homogeneizador 2. El sistema maximiza la recogida de radiacion en altos angulos de desalineacion solar sin tener que aumentar el angulo en el vertice del cono de origen, una operacion que pondna en peligro la eficacia del concentrador. El radio 3f se recoge por el homogeneizador y se envfa a la celula fotovoltaica 4, mientras que si la forma del homogeneizador hubiera sido la convencional como se muestra con el perfil 5, el radio 3f serfa absorbido por la pared exterior del homogeneizador o reflejado siguiendo la trayectoria indicada por el radio 3fp.
La figura 6a es una vista tridimensional de un homogeneizador en forma de piramide truncada 2a con una abertura superior IN, en forma de paralelogramo, oblicua con respecto al eje central de simetna, en cuya abertura entra la radiacion solar, ilustrada con el radio 3k, para ser reflejada hasta llegar a la abertura inferior OUT.
La figura 6b es una vista tridimensional de un homogeneizador con forma de piramide truncada 2b con la abertura superior IN oblicua con respecto a ambas direcciones de desalineacion. La radiacion, ilustrada por el radio 3k, entra a traves de la abertura oblicua superior y se refleja hasta llegar a la abertura inferior OUT. K-K muestra el eje central del homogeneizador 2b.
La figura 7a es una vista tridimensional de un homogeneizador en cono truncado 2b con la abertura superior IN oblicua con respecto al eje central de simetna en la que entra la radiacion, ilustrada con el radio 31, que se refleja hasta llegar a la abertura inferior OUT.
La figura 7b es una vista tridimensional de un homogeneizador en cono truncado 2b con la abertura superior IN oblicua con respecto a ambas direcciones de desalineacion. La radiacion, ilustrada por el radio 31, entra a traves de la abertura superior y se refleja hasta llegar a la abertura inferior OUT. K - K muestra el eje central de simetna del homogeneizador 2b.
La figura 8 es una vista tridimensional de un homogeneizador (definido en este ejemplo - homogeneizador mixto - ya que tiene la seccion superior redonda o elfptica y la seccion inferior cuadrada o rectangular) que
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tiene la abertura superior IN elfptica y oblicua con respecto al eje central de simetrfa, en la que entra la radiacion solar, ilustrada con el radio 3n que se refleja hasta llegar a la seccion inferior OUT de forma cuadrada o rectangular.
La figura 9 muestra la forma concava P1 de la abertura superior IN en un homogeneizador 2. Esta forma es diferente de la recta para maximizar la recogida de la radiacion solar procedente del espejo primario. Por ejemplo, esta forma puede seguir la posicion del mejor enfoque producido por el espejo primario.
La figura 10 muestra la forma convexa P2 de la abertura superior IN en un homogeneizador 2. Esta forma es diferente de la recta para maximizar la recogida de la radiacion procedente del espejo primario. Esta forma tambien puede seguir la posicion del mejor enfoque producido por el espejo primario.
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Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Concentrador solar (1,2) para sistemas fotovoltaicos que comprende un sistema optico primario (1) y un elemento optico secundario (2), estando el sistema optico primario dotado de un paraboloide fuera del eje u otros medios para
    5 enfocar la radiacion solar sobre el elemento optico secundario que actua como un homogeneizador, caracterizado por que el homogeneizador (2) tiene la forma de una piramide truncada o de cono truncado y esta dotado de una abertura superior (IN) no perpendicular al eje de simetria central del homogeneizador (K - K) para adaptarse a las aberraciones del sistema optico primario, para obviar significativamente los errores de apuntamiento al sol y maximizar la captura de los rayos procedentes del sistema optico primario (1).
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  2. 2. Concentrador solar (1,2) para sistemas fotovoltaicos que comprende un sistema optico primario (1) y un elemento optico secundario (2), estando el sistema optico primario dotado de un paraboloide fuera del eje (1), u otros medios para enfocar la radiacion solar sobre el elemento optico secundario que actua como un homogeneizador, caracterizado por que la abertura superior (IN) del homogeneizador (2) esta definida por un circulo o una elipse no
    15 perpendicular al eje central de simetria (K - K) del homogeneizador y la abertura inferior (OUT) esta definida por un cuadrado o rectangulo paralelo al plano de la celula fotovoltaica (4) del sistema y que tiene un area proxima al area de la celula.
  3. 3. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el paraboloide (1) funciona fuera 20 del eje con respecto a ambos ejes de desalineacion solar (Phi, Theta), y el homogeneizador (2) en forma de
    piramide truncada o de cono truncado esta dotado de una abertura superior (IN) no perpendicular al eje central de simetria (K - K) con respecto a una o ambas direcciones ortogonales de desalineacion solar (Phi, Theta).
  4. 4. Concentrador solar de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que la abertura superior (IN) del 25 homogeneizador (2) es oblicua con respecto al eje central de simetria (K - K) del homogeneizador y es concava,
    convexa o concava-convexa para adaptarse a las aberraciones del sistema optico primario (1), con el fin de maximizar la recogida de radiacion solar.
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