ES2880461T3 - Sistema optomecánico para capturar y transmitir luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos un elemento colector y correspondiente procedimiento - Google Patents

Sistema optomecánico para capturar y transmitir luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos un elemento colector y correspondiente procedimiento Download PDF

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Abstract

Un sistema optomecánico (10) para capturar y transmitir luz incidente (40) con una dirección de incidencia variable hacia al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), con una disposición óptica (20) capaz de capturar un haz de luz incidente (40), de concentrar el haz capturado de la luz incidente, y de transmitir uno o más haces concentrados (50) de la luz incidente hacia la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), y un mecanismo de desplazamiento para mover la disposición óptica (20) con respecto a la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), en el que el movimiento del mecanismo de desplazamiento es controlable de tal manera que, el uno o más haces concentrados (50) de la luz incidente pueden ser captados por la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''') para cualquier dirección de incidencia de la luz incidente (40), caracterizado por el hecho de que la disposición óptica (20) comprende una primera capa óptica formada por lentes ópticas que tienen una curvatura asférica, teniendo al menos una superficie de las lentes una curvatura polinómica con múltiples órdenes, en el que la curvatura polinómica con múltiples órdenes presenta al menos un punto de inflexión.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema optomecánico para capturar y transmitir luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos un elemento colector y correspondiente procedimiento
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere al campo técnico de los sistemas ópticos, más en concreto al campo técnico de los sistemas optomecánicos. En particular, la presente invención se refiere a un sistema optomecánico para capturar y transmitir luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos un elemento colector y al correspondiente procedimiento. Dicho sistema optomecánico se puede utilizar de forma ventajosa en la construcción de paneles solares para la producción de electricidad solar.
Antecedentes de la invención
Las células fotovoltaicas (o PV: Photovoltaic) se han utilizado ampliamente para convertir la energía de la luz solar en energía eléctrica, debido a la creciente demanda de energía procedente de fuentes renovables impulsada por los problemas relacionados con emisiones de gases de efecto invernadero y el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles. Esta tecnología de energía solar dominante consiste en células fotovoltaicas individuales de silicio monocristalino o policristalino, ensambladas en módulos de panel plano y que cubren un área irradiada por la luz solar. Aunque esta tecnología está madura y se ha probado en la producción en masa, su eficiencia se limita en general a un 16% hasta 22% para células solares de silicio de unión simple.
Ya se han desarrollado células fotovoltaicas de mayor eficiencia basadas en uniones múltiples, pero su precio es prohibitivo y, por lo tanto, su uso se limita en general a la industria espacial. Dado que la eficiencia solar fotovoltaica influye directamente en el precio de la energía eléctrica generada por el panel y en la superficie necesaria para la instalación solar, es un factor clave en todas las soluciones de energía solar.
Una de las soluciones propuestas para hacer asequible el uso de células fotovoltaicas de alta eficiencia es la denominada Fotovoltaica de Concentración (o CPV: Concentrated Photo Voltaics). Los sistemas de CPV utilizan una concentración de la luz solar incidente en una célula fotovoltaica de menor superficie, reduciendo de este modo los costes globales de material. Gracias a esta técnica, es posible utilizar las mejores tecnologías de células fotovoltaicas existentes con eficiencias superiores al 40%. La concentración de la luz solar permite reducir la superficie total cubierta por las células fotovoltaicas, sin reducir la cantidad de energía eléctrica generada. Los concentradores solares utilizan componentes ópticos, tales como lentes o espejos, que ofrecen la posibilidad de reducir aún más los costes. En consecuencia, los sistemas de CPV permiten generar electricidad con un coste de producción menor que en el caso de las células fotovoltaicas convencionales de silicio.
Sin embargo, uno de los retos técnicos de los sistemas de CPV consiste en el seguimiento de la luz solar, ya que su dirección de incidencia varía con el tiempo. Por lo tanto, el mayor inconveniente de los sistemas de CPV es que necesitan ser constantemente orientados hacia la fuente de luz (es decir, el sol), con el fin de poder concentrar eficazmente la luz solar incidente. Esta limitación se debe al principio físico de la extensión óptica (etendue), que limita el factor de concentración máximo para una aceptación angular determinada. El movimiento del sol a lo largo del día y de las estaciones da lugar a grandes variaciones de los ángulos de acimut y de elevación. Un concentrador convencional con una orientación fija requiere, por lo tanto, amplios ángulos de aceptación para cubrir estas variaciones y, por lo tanto, sólo alcanzará factores de concentración relativamente pequeños (normalmente inferiores a 10).
Las soluciones habituales para superar la limitación impuesta por el principio de extensión óptica (etendue) en un sistema de CPV consisten en hacer rotar de forma activa el panel concentrador hacia el sol, de modo que la luz solar incidente se puede dirigir siempre de forma normal hacia el panel. La aceptación angular del concentrador puede entonces ser relativamente pequeña (por ejemplo, menos de 2 grados), permitiendo factores de concentración relativamente grandes (típicamente más de 100).
El documento US 9 029 681 describe un módulo CPV con una mayor aceptación angular de aproximadamente 14°. Aunque este mayor ángulo de aceptación angular es una mejora en comparación con los CPV tradicionales, el sistema sigue requiriendo una rotación activa del panel concentrador hacia el sol para funcionar eficazmente, ya que el movimiento aparente del sol en el cielo a lo largo de los días y las estaciones da lugar a variaciones del ángulo de incidencia mucho mayores.
Este seguimiento activo del sol mediante la rotación del panel concentrador presenta varios inconvenientes importantes. En primer lugar, el panel tiene que rotar a lo largo de dos ejes para seguir los cambios de acimut y de elevación, con unos requisitos de precisión extremadamente altos en ambas posiciones angulares (normalmente de menos de 0,5°). Además, el sistema de rotación tiene que mover el peso total de todo el panel, lo que da lugar a un consumo de energía importante y problemas de fiabilidad con la carga del viento. Por último, la mayoría de los sistemas de seguimiento consumen mucho espacio y, por lo tanto, no son adecuados para instalaciones en tejados, lo que limita su uso a instalaciones a escala de servicios públicos. En general, estos inconvenientes generan unos sobrecostes en términos de coste y tamaño, así como un desperdicio de energía.
El documento WO 2015/047928 propone aumentar la aceptación angular utilizando lentes cilíndricas diseñadas para enfocar la luz solar en células solares en forma de tira. La principal desventaja de este procedimiento es que se adapta a los cambios angulares de la posición del sol únicamente alrededor de un eje.
Por otro lado, también existen los denominados concentradores solares luminiscentes, que son sistemas fotónicos que pueden lograr una concentración planar de luz solar con un amplio ángulo de aceptación sin cambiar su orientación. Dichos concentradores solares luminiscentes están formados por colorantes fluorescentes que se distribuyen en una guía de onda óptica. Cuando un colorante fluorescente recibe el impacto de la luz solar incidente, puede reemitir luz a una longitud de onda mayor. La luz reemitida queda entonces parcialmente atrapada en la guía de onda por reflexión interna total y se puede propagar a lo largo de la dirección planar. El uso de una guía de onda óptica en combinación con células fotovoltaicas se divulga en el documento US 2014/0261622.
En consecuencia, los módulos ópticos existentes consiguen una concentración solar planar con una aceptación angular y/o una eficiencia limitadas, por lo que a menudo se deben utilizar en combinación con un sistema de seguimiento externo. Además, la mayoría de los sistemas de micro seguimiento existentes requieren un diseño de guía de ondas específico y, por lo tanto, no se pueden utilizar con otros tipos de ópticas de concentración. Por otro lado, los concentradores luminiscentes sufren importantes pérdidas, ya que el resto de la luz emitida escapa de la guía de onda. Además, absorciones adicionales de luz ya atrapada en la guía de ondas también provocan importantes pérdidas, lo que reduce aún más la eficacia del sistema.
Resumen de la invención
Así pues, el objeto de la presente invención es proponer un nuevo sistema optomecánico y un correspondiente procedimiento para capturar y transmitir luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos una célula solar, en el que los inconvenientes que se han descrito anteriormente de los sistemas y procedimientos conocidos son superados completamente o, al menos, reducidos en gran medida.
Un objeto de la presente invención es, en particular, proponer un sistema optomecánico y un correspondiente procedimiento para capturar y transmitir luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos una célula solar, gracias a lo cual es posible aumentar la eficacia de la captación sin perder la facilidad y la versatilidad de las posibilidades de la instalación. Además, los costes globales del sistema no deberían ser prohibitivos.
Según la presente invención, estos objetos se logran en particular a través de los elementos de las dos reivindicaciones independientes. Otras realizaciones ventajosas se desprenden además de las reivindicaciones dependientes y de la descripción.
En particular, estos objetos de la invención se consiguen por medio de un sistema optomecánico de captación y transmisión de luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos una célula solar, con
■ una disposición óptica capaz de capturar un haz de luz incidente, concentrar el haz capturado de la luz incidente, y transmitir uno o más haces concentrados de la luz incidente hacia la al menos una célula solar, y
■ un mecanismo de desplazamiento para mover la disposición óptica con respecto a la al menos una célula solar, en el que el movimiento del mecanismo de desplazamiento es controlable de tal manera que, para cualquier dirección de incidencia de la luz incidente, el uno o más haces concentrados de la luz incidente pueden ser captados por la al menos una célula solar,
en el que la disposición óptica comprende una primera capa óptica formada por lentes ópticas que tienen una curvatura asférica, en el que al menos una superficie de las lentes tiene una curvatura polinómica con múltiples órdenes, en el que la curvatura polinómica con múltiples órdenes presenta al menos un punto de inflexión.
Gracias a la presente invención, es posible lograr una mayor eficiencia de captación de luz incidente con respecto a soluciones propuestas anteriormente. Dado que, gracias al movimiento controlado del mecanismo de desplazamiento, el uno o más haces concentrados de la luz incidente pueden ser captados de forma óptima por la al menos una célula solar, independientemente de la dirección de incidencia de la luz incidente, y se puede maximizar la captación y recogida global de la luz incidente. La presente invención permite una reducción significativa del material de célula solar activa, ya que la superficie total de las células solares se puede reducir significativamente con respecto a los sistemas que no comprenden el mecanismo de concentración descrito. Por lo tanto, se pueden utilizar células solares de alta eficiencia, aumentando la eficiencia del sistema sin que se produzcan costes prohibitivos. Además, la disposición óptica comprende una primera capa óptica formada por lentes ópticas que tienen una curvatura asférica, teniendo al menos una superficie de las lentes una curvatura polinómica con múltiples órdenes. Estas diferentes formas de las lentes pueden aumentar la flexibilidad del sistema optomecánico según la presente invención para su uso en diversas instalaciones. En términos más específicos, el uso de lentes asféricas diseñadas de forma adecuada permite una mayor aceptación angular (de hasta 60°) y una curva de Petzval casi plana (cuasi telecentricidad).
La curvatura asférica de la primera capa óptica de la disposición óptica se puede elegir, en particular, de forma que se minimice la curvatura de campo de la disposición óptica. Asimismo, la curvatura asférica de la primera capa óptica de la disposición óptica se puede elegir de forma que se consiga una curvatura de campo esférica. Estas características permiten optimizar el sistema optomecánico de la invención y, en particular, minimizar o simplificar los desplazamientos del sistema, maximizando al mismo tiempo el rendimiento.
En otra forma de realización preferida de la presente invención, la disposición óptica comprende además una segunda capa óptica, siendo la primera capa óptica y la segunda capa óptica movibles una con respecto a la otra. El uso de dos capas ópticas diferentes permite una mayor flexibilidad y una mayor precisión en la adaptación del sistema optomecánico a la dirección de incidencia variable de la luz incidente, aumentando de este modo la eficiencia de la captación de la luz incidente por parte de las células solares.
El diámetro de las lentes de la segunda capa óptica puede ser preferiblemente igual o menor que el diámetro de las lentes de la primera capa óptica. De ese modo, se puede aumentar la precisión de la concentración de la luz incidente, lo que permite una mejor captación y concentración de la luz que sale de la primera capa óptica.
Preferiblemente, las lentes están hechas de vidrio, polimetilmetacrilato (PMMA), silicona (posiblemente adherida a vidrio) o policarbonato (PC). El vidrio es el material más común para las lentes. Tiene una buena resistencia mecánica y no se raya fácilmente. Además, transmite bien casi todas las longitudes de onda. El PMMA, también denominado vidrio acrílico, la silicona y el PC tienen propiedades ópticas similares, pero son mucho más ligeros que el vidrio y se pueden moldear con facilidad y precisión mediante procesos industriales baratos, tales como el moldeo por inyección o el repujado.
En otra forma de realización preferida de la presente invención, cada uno del uno o más haces concentrados de la luz incidente es captado por una célula solar situada en el foco de la correspondiente lente de la disposición óptica. Por lo tanto, la luz incidente puede ser captada por un conjunto de células solares correspondientes al conjunto de lentes de la disposición óptica.
Además, la al menos una célula solar puede comprender un primer elemento óptico adicional para mejorar la aceptación angular y/o mejorar la homogeneidad de distribución del correspondiente haz concentrado de la luz incidente y/o aumentar el factor de concentración y/o mejorar la telecentricidad. Este primer elemento óptico adicional puede ser, en particular, una lente asférica, un concentrador parabólico, una óptica de Kohler o una combinación de estos elementos.
Además, el sistema optomecánico puede comprender también al menos un segundo elemento óptico adicional para dividir el al menos un haz concentrado de la luz incidente en haces de luz con diferentes longitudes de onda, en el que cada uno de los haces individuales de luz con diferentes longitudes de onda es captado por una célula solar distinta. Gracias a esta división, se pueden utilizar células solares dedicadas a captar independientemente cada haz de luz con su rango específico de longitudes de onda, mejorando la eficiencia de conversión de energía global.
En otra forma de realización preferida de la presente invención, el sistema optomecánico comprende además una guía de ondas para recibir el uno o más haces concentrados de luz incidente y guiar el uno o más haces concentrados de luz incidente hacia la al menos una célula solar. Gracias al uso de una guía de ondas, el sistema optomecánico se puede construir de forma más flexible. En particular, la al menos una célula solar puede entonces situarse de forma ventajosa en el lateral y/o debajo de la guía de ondas, en función de los requisitos específicos del lugar de la instalación.
Además, el sistema optomecánico puede comprender además al menos una célula solar para captar luz difusa o luz entrante con ángulos de incidencia extremos. Esta célula solar "secundaria" puede, en particular, situarse debajo de la célula solar "primaria" en la dirección de propagación de la luz y, de ese modo, captar toda la luz que no ha sido captada por las células solares "primarias". Esta célula solar "secundaria" también puede colocarse alrededor de la célula solar "primaria". Esta característica adicional permite una eficiencia aún mayor del sistema.
En otra forma de realización preferida de la presente invención, el mecanismo de desplazamiento es capaz de mover la disposición óptica con respecto a la al menos una célula solar a lo largo de uno, dos o tres ejes perpendiculares. En concreto, el movimiento del mecanismo de desplazamiento se puede basar preferiblemente en la deformación mecánica con el fin de evitar la fricción y aumentar de este modo la fiabilidad y la vida útil de los sistemas optomecánicos. Para ello, los elementos preferidos son resortes elásticos y/o paletas (suspensiones de ballesta).
Todas las formas de realización preferidas de la presente invención que se han mencionado anteriormente tienen la ventaja de no requerir ningún sistema de seguimiento o rastreo externo. Esto permite la realización de módulos de paneles solares concentradores planos.
En este punto, nos gustaría reiterar que la presente invención también se refiere a un procedimiento para capturar y transmitir luz incidente con una dirección de incidencia variable hacia al menos una célula solar, que comprende
■ capturar un haz de la luz incidente por medio de una disposición óptica, concentrar el haz capturado de la luz incidente, y transmitir uno o más haces concentrados de la luz incidente hacia la al menos una célula solar, y
■ desplazar la disposición óptica con respecto a la al menos una célula solar por medio de un mecanismo de desplazamiento, en el que el desplazamiento del mecanismo de desplazamiento es controlable de manera que, para cualquier dirección de incidencia de la luz incidente, el uno o más haces concentrados de la luz incidente pueden ser captados por la al menos una célula solar,
en el que la disposición óptica comprende una primera capa óptica formada por lentes ópticas que tienen una curvatura asférica, en el que al menos una superficie de las lentes tiene una curvatura polinómica con múltiples órdenes, en el que la curvatura polinómica con múltiples órdenes presenta al menos un punto de inflexión.
Breve descripción de los dibujos
Los anteriores y otros objetos, características y ventajas de la presente invención se desprenden de la siguiente descripción detallada tomada en combinación con los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1A es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico con la luz incidente que tiene una primera dirección; según una primera forma de realización de la presente invención las lentes tienen curvaturas asféricas;
La Figura 1B es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico con la luz incidente que tiene una segunda dirección; según una primera forma de realización de la presente invención las lentes tienen curvaturas asféricas;
La Figura 2 es una vista superior esquemática a través del sistema optomecánico según la primera forma de realización de la presente invención;
La Figura 3A es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico con la luz incidente que tiene una primera dirección; según una segunda forma de realización de la presente invención, la segunda y la primera capas ópticas están hechas de lentes con curvaturas asféricas;
La Figura 3B es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico con la luz incidente que tiene una segunda dirección; según una segunda forma de realización de la presente invención, la segunda y la primera capas ópticas están hechas de lentes con curvaturas asféricas;
La Figura 4 es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico; según una tercera forma de realización de la presente invención la primera capa óptica está hecha de lentes con curvaturas asféricas;
La Figura 5 es otra vista en sección transversal esquemática del sistema optomecánico; según la primera forma de realización de la presente invención, la primera capa óptica está hecha de lentes con curvaturas asféricas (correspondientes a la Figura 1A);
La Figura 6 es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico; según una cuarta forma de realización de la presente invención la primera capa óptica está hecha de lentes con curvaturas asféricas;
La Figura 7 es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico; según una quinta forma de realización de la presente invención la primera capa óptica está hecha de lentes con curvaturas asféricas;
La Figura 8 es una vista en sección transversal esquemática de un sistema optomecánico; según una sexta forma de realización de la presente invención, la primera capa óptica está hecha de lentes con curvaturas asféricas;
Las Figuras 9A, 9B, 9C y 9D son vistas en sección transversal esquemáticas de diversas variaciones del sistema optomecánico según la sexta forma de realización de la presente invención;
La Figura 10A es una vista superior esquemática y la Figura 10B una vista en sección transversal esquemática de una parte del sistema optomecánico según una séptima forma de realización de la presente invención;
La Figura 11A es una vista superior esquemática y la Figura 11B una vista en sección transversal esquemática de una parte del sistema optomecánico según la octava forma de realización de la presente invención.
La Figura 12A es una vista en sección transversal esquemática de una lente asférica según la primera forma de realización de la presente invención;
La Figura 12B es una vista en sección transversal esquemática de una lente asférica con su curva de Petzval según la primera forma de realización de la presente invención, con la luz incidente que tiene una primera dirección;
La Figura 12C es una vista en sección transversal esquemática de una lente asférica con su curva de Petzval según la primera forma de realización de la presente invención, con la luz incidente que tiene una segunda dirección;
La Figura 13A es una vista en sección transversal esquemática de una lente esférica con su curva de Petzval, que no es según la presente invención, con la luz incidente que tiene una primera dirección;
La Figura 13B es una vista en sección transversal esquemática de una lente esférica con su curva de Petzval, que no es según la presente invención, con la luz incidente que tiene una segunda dirección.
Descripción detallada de las formas de realización preferidas de la invención
Las Figuras 1A, 1B y 2 ilustran un sistema optomecánico 10 según una primera forma de realización de la presente invención. Este sistema optomecánico 10 comprende una disposición óptica 20 que, en esta forma de realización, comprende una única capa óptica compuesta por una serie de lentes ópticas que tienen curvaturas asféricas. Las superficies convexas de las lentes se ilustran con los números de referencia 21 y 22. El sistema optomecánico 10 según esta primera forma de realización de la presente invención puede capturar y captar la luz incidente 40. Con este fin, la disposición óptica 20 es capaz de capturar el haz de la luz incidente 40 que incide en la superficie superior del conjunto de lentes, de concentrar el haz capturado de la luz incidente, y de transmitir uno o más haces concentrados 50 de la luz incidente hacia las células solares 31.
En la presente solicitud, el término "concentrar" un haz de luz significa básicamente que el haz es descolimado y enfocado en un punto particular. En particular, el sistema optomecánico según la presente invención se puede utilizar para concentrar luz solar incidente 40 (en la que todos los rayos solares tienen una dirección de incidencia paralela) y hacer que todos los rayos solares enfoquen uno o más puntos particulares en los que pueden entonces ser captados por una o más células solares 31.
Volviendo a las Figuras 1A y 1B, se puede ver que la disposición óptica 20 concentra el haz de luz incidente 40 en tres haces concentrados diferentes 50. A continuación, cada uno de estos haces concentrados 50 es captado por una correspondiente célula solar 31. Por supuesto, en una implementación del mundo real, en concreto en los paneles solares, el número de lentes en la disposición óptica 20 será en general mucho mayor que tres y también habrá un correspondiente número de células solares 31.
Una vez que la dirección de incidencia de la luz incidente 40 ha cambiado, por ejemplo, cuando el sol ha cambiado su posición en el cielo durante el día, la disposición óptica 20 de la Figura 1A no podrá concentrar la luz incidente 40 de manera eficiente en las células solares 31. Con el fin de mantener la concentración óptima en las células solares 31 y, por lo tanto, también la eficacia de la captación de la luz incidente 40, la disposición óptica 20 puede ser movida con respecto a las células solares 31 por medio de un mecanismo de desplazamiento (no representado), según se ilustra con la flecha. Después de este movimiento, la disposición óptica 20 es posicionada de nuevo de manera que la luz incidente 40 puede ser concentrada y captada por las células solares 31 de manera óptima. Este movimiento de la disposición óptica 20 se puede realizar de forma constante durante el movimiento de la dirección de incidencia de la luz incidente 40, manteniendo de este modo la concentración y captación de la luz incidente 40 en un nivel óptimo para cualquier dirección de incidencia.
La Figura 2 ilustra el sistema optomecánico 10 en una vista superior. La disposición óptica 20, formada por lentes que tienen una forma hexagonal y que forman un patrón de panal de abejas, concentra la luz incidente de manera que cada haz concentrado 50 puede ser captado por una célula solar 31 asignada a la lente particular. Las células solares 31 pueden estar unidas entre sí en una disposición colectora 30, que comprende en particular también elementos de conexión (no representados) para interconectar todas las células solares 31.
Las lentes esquematizadas en las Figuras 1A y 1B de la disposición óptica 20 tienen curvaturas asféricas. Más en concreto, al menos una superficie de las lentes (por ejemplo, la superficie superior, la superficie inferior o ambas) puede tener también una curvatura polinómica con múltiples órdenes (típicamente 6 órdenes o más), lo que permite cambios de signos de curvatura a lo largo de la superficie (puntos de inflexión). Esto permite hacer un punto focal con aberraciones ópticas reducidas en ángulos amplios, a la vez que se da más grado de libertad al diseño óptico. Además, las lentes también pueden tener un contorno circular, cuadrado o hexagonal (según se ilustra en la Figura 2). Un diámetro típico de las lentes oscila desde 5 mm hasta 50 mm y su grosor desde 3 mm hasta 25 mm. Tienen un factor de concentración típico de desde 50 hasta 500 veces.
Las Figuras 3A y 3B ilustran un sistema optomecánico 10 según una segunda forma de realización de la presente invención. Con respecto al sistema optomecánico 10 según la primera forma de realización de la invención, este sistema optomecánico 10 según la segunda forma de realización de la invención comprende una disposición óptica 20 que se compone de dos capas ópticas 20', 20". Estas dos capas ópticas 20', 20" también están compuestas por lentes con curvaturas asféricas.
Cuando un haz de luz incidente 40 incide en la superficie superior 23 de la disposición óptica 20, la disposición óptica 20 es de nuevo capaz de capturar el haz de luz incidente 40, de concentrar este haz capturado de la luz incidente (a través de un haz intermedio 50) y de transmitir los haces totalmente concentrados 60 de la luz incidente hacia las células solares 31.
De nuevo, una vez que la dirección de incidencia de la luz incidente 40 ha cambiado, la disposición óptica 20 de la Figura 3A no puede concentrar la luz incidente 40 de forma eficiente en las células solares 31. Por lo tanto, y con el fin de mantener la concentración óptima de la luz incidente 40 en las células solares 31, la disposición óptica 20 puede ser movida con respecto a las células solares 31 por medio de un mecanismo de desplazamiento, según se ilustra con la flecha en la Figura 3B. Después de este movimiento, la disposición óptica 20 es posicionada de nuevo de forma que la luz incidente 40 puede ser concentrada y captada por las células solares 31 de forma óptima.
El movimiento de la disposición óptica 20 se puede realizar moviendo ambas capas ópticas 20' y 20" con respecto a las células solares 31, o moviendo sólo una de las dos capas ópticas 20', 20" una con respecto a la otra y/o con respecto a las células solares 31.
La Figura 4 ilustra el sistema optomecánico 10 según una tercera forma de realización de la presente invención. En esta forma de realización, la disposición óptica 20 consta de nuevo de dos capas ópticas 20A, 20B. Sin embargo, la primera capa óptica 20A está compuesta por lentes asféricas y la segunda capa óptica 20B (más abajo en la dirección de incidencia de la luz incidente 40) es una sola capa con superficies 25, 26 que tienen unas formas que permiten una concentración óptima de la luz incidente 40. Según se puede ver en la Figura 4, el haz de la luz incidente 40 es concentrado primero ligeramente en haces 50 y a continuación colimado en haces paralelos 60 dentro de la segunda capa óptica 20B, antes de concentrarse en varios haces 70 que son captados todos por una sola célula solar 31. Ni que decir tiene que esta forma de realización permite una mayor reducción de costes utilizando incluso menos células solares 31 que en las formas de realización anteriores (es decir, un mayor factor de concentración).
La Figura 5 es idéntica a la Figura 1A y sirve para ilustrar el hecho de que todas las células solares 31 pueden ser del mismo tipo y estar unidas en un conjunto 30, en el que cada célula solar 31 capta haces concentrados 50 procedentes de una correspondiente lente en la disposición óptica 20. Las células solares pueden ser, por ejemplo, del tipo hetero uniones, multi uniones, GaAs o c-Si. Además, pueden tener un diámetro típico de desde 0,1 mm hasta 5 mm.
La Figura 6 ilustra un sistema optomecánico 10 según una cuarta forma de realización de la presente invención. La diferencia entre el sistema optomecánico 10 según la primera forma de realización de la invención y este sistema optomecánico 10 según la cuarta forma de realización de la presente invención es el uso de unos primeros elementos ópticos adicionales 80 en conexión con cada célula solar 31. Estos primeros elementos ópticos adicionales 80 se pueden utilizar en particular para mejorar la aceptación angular y/o para mejorar la homogeneidad de distribución del correspondiente haz concentrado 50 de la luz incidente 40 y/o para aumentar el factor de concentración.
En la Figura 7 se ilustra un sistema optomecánico 10 según una quinta forma de realización de la presente invención. La particularidad del sistema optomecánico 10 según esta quinta forma de realización de la presente invención es el hecho de que este sistema optomecánico 10 comprende unos segundos elementos ópticos adicionales 80' y tres tipos diferentes de células solares 31', 31", 31” '. Estos segundos elementos ópticos adicionales 80' son capaces de dividir el espectro de la luz incidente 40 (que comprende luz con diferente longitud de onda 40', 40", 40” ') y a continuación distribuir las partes del espectro a las correspondientes células solares 31', 31", 31” '. Esta solución es particularmente ventajosa en el caso de que cada una de las diferentes células solares 31', 31'', 31''' tenga una eficiencia particularmente alta en la parte determinada del espectro de luz que reciben y captan.
La Figura 8 ilustra un sistema optomecánico 10 según una sexta forma de realización de la presente invención. Con respecto a los sistemas optomecánicos 10 según las formas de realización anteriores de la presente invención, el sistema optomecánico 10 según esta sexta forma de realización de la presente invención comprende además una guía de ondas 90 que recibe haces concentrados 50 de la luz incidente 40 y los guía hacia las células solares 31A, 31B que están situadas en ambos extremos de la guía de ondas 90. Por supuesto, también sería posible situar las células solares 31A, 31B en una posición diferente. Con este fin, la guía de ondas 90 comprende elementos de reflexión y dirección 91 que pueden tener diferentes posiciones y formas en función de la posición de las células solares 31A, 31B y otras limitaciones.
Las Figuras 9A, 9B, 9C y 9D ilustran algunas de las opciones para la forma de los elementos de reflexión y dirección 91 y algunas de las opciones para la forma de la superficie superior de la guía de ondas 90. Según se puede observar, la superficie superior 92 puede comprender rebajes de refracción 93 con diversas formas con el fin de conseguir más efectos de concentración y/o de colimación dentro de la guía de ondas 90. El uso de un haz colimado tiene la ventaja, entre otras cosas, de que la trayectoria de la luz es recta y, por lo tanto, se puede predecir fácilmente con una gran precisión. Por lo tanto, es posible diseñar el sistema en el que la luz puede evitar características de inyección, que son obstáculos para su propagación. De este modo, se pueden evitar eficazmente pérdidas de luz por desacoplamiento de la guía de ondas.
Finalmente, el sistema optomecánico 10 de las séptima y octava formas de realización de la presente invención puede comprender células solares adicionales (o "secundarias") 35 para captar luz difusa, es decir, cualquier luz que no haya sido captada por las células solares "primarias" 31. Según se ilustra en las Figuras 10A, 10B, 11Ay 11B, estas células solares secundarias 35 pueden estar situadas alrededor de las células solares primarias 31 (es decir, rodeándolas), o debajo de las células solares 31 cuando son observadas en la dirección de incidencia de la luz incidente 40. Estas células solares secundarias pueden ser, por ejemplo, células orgánicas (de Graetzel), de perovskita, de película fina o de c-Si, mientras que las células primarias son células de alta eficiencia, aumentando de este modo aún más la eficiencia global de captación de energía del sistema 10.
La Figura 12A ilustra una lente 120 en la que tanto la superficie superior como la inferior tienen curvaturas asféricas con múltiples órdenes polinómicos. La curvatura de la superficie superior 121 es convergente, mientras que la curvatura de la superficie inferior tiene tanto una parte convergente 122 como una parte divergente 123. Esta inflexión entre una parte convergente y otra divergente es posible gracias al elevado número de coeficientes del polinomio utilizado para definir la superficie asférica.
Las Figuras 12B y 12C ilustran una lente asférica 120 con el haz de luz incidente 40 procedente de dos direcciones diferentes. Cuando el haz de luz incidente 40 procede de una primera dirección (Figura 12B), el haz intermedio 50 se dirige hacia la parte convergente 122 de la superficie inferior, lo que aumenta la convergencia del haz intermedio 50 y disminuye la distancia a la que converge el haz de salida 60 (es decir, disminuye la distancia focal). Cuando el haz de luz incidente 40 procede de una segunda dirección (Figura 12C), el haz intermedio 50 se dirige hacia la parte divergente 123 de la superficie inferior, lo que disminuye la convergencia del haz intermedio 50 y aumenta la distancia a la que converge el haz de salida 60 (es decir, aumenta la distancia focal). Según se ilustra en estas dos configuraciones, el diseño específico de la lente asférica 120, que se logra a través de la optimización del polinomio que define su curvatura, permite ajustar la convergencia del haz de salida 60 en función de la dirección de la luz incidente 40, de modo que el plano focal 124 de la lente es casi plano (se minimiza la curvatura de campo de Petzval). De modo similar, se puede optimizar la curvatura polinómica para conseguir cualquier forma de plano focal deseada, tal como un plano focal esférico.
La Figura 13A y la Figura 13B ilustran una lente esférica 120 con el haz de luz incidente 40 procedente de dos direcciones diferentes. Debido a que las superficies de lente son esféricas, el plano focal 124 tiene una curvatura de campo de Petzval mucho más fuerte que con el diseño de lente asférica que se describe en las Figuras 12A, 12B y 12C.
Aunque la presente divulgación se ha descrito con referencia a medios, materiales y realizaciones particulares, un experto en la materia puede determinar fácilmente, a partir de la descripción anterior, las características esenciales de la presente divulgación, si bien se pueden realizar diversos cambios y modificaciones para adaptar los distintos usos y características según se establece en las siguientes reivindicaciones.
En particular, el sistema optomecánico según se describe en la descripción anterior se puede utilizar también en la dirección opuesta, permitiendo de este modo, por ejemplo, un sistema de iluminación optimizado. Más en concreto, si se utiliza una fuente de luz en lugar de una célula solar 31, 31', 31", 31''', 31A, 31B, la disposición óptica 20 se puede utilizar fácilmente con el fin de ajustar la dirección de irradiación de esta luz. Con este fin, la disposición óptica 20 debe ser movida con respecto a la fuente de luz por medio del mecanismo de desplazamiento hasta que se consigue la dirección de irradiación necesaria. Todas las diferentes formas de realización de la invención (con una sola capa óptica en la disposición óptica 20, con dos capas ópticas en la disposición óptica 20, con una guía de ondas 90) se pueden utilizar de forma análoga al uso del sistema optomecánico 10 para captar la luz incidente 40, según se ha explicado anteriormente. Por supuesto, un experto entenderá también que, si el sistema optomecánico 10 se utiliza de esta manera, se pueden utilizar igualmente elementos adicionales (por ejemplo, para cambiar la longitud de onda de la luz, etc.).

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema optomecánico (10) para capturar y transmitir luz incidente (40) con una dirección de incidencia variable hacia al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), con
una disposición óptica (20) capaz de capturar un haz de luz incidente (40), de concentrar el haz capturado de la luz incidente, y de transmitir uno o más haces concentrados (50) de la luz incidente hacia la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), y
un mecanismo de desplazamiento para mover la disposición óptica (20) con respecto a la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), en el que el movimiento del mecanismo de desplazamiento es controlable de tal manera que, el uno o más haces concentrados (50) de la luz incidente pueden ser captados por la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''') para cualquier dirección de incidencia de la luz incidente (40),
caracterizado por el hecho de que la disposición óptica (20) comprende una primera capa óptica formada por lentes ópticas que tienen una curvatura asférica, teniendo al menos una superficie de las lentes una curvatura polinómica con múltiples órdenes, en el que la curvatura polinómica con múltiples órdenes presenta al menos un punto de inflexión.
2. El sistema optomecánico según la reivindicación 1, en el que la curvatura asférica de la primera capa óptica de la disposición óptica (20) se elige de forma que se minimiza la curvatura de campo de la disposición óptica (20).
3. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que las lentes tienen un contorno circular, cuadrado o hexagonal.
4. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la disposición óptica (20) comprende además una segunda capa óptica (20"), siendo la primera capa óptica (20') y la segunda capa óptica (20") movibles una con respecto a la otra.
5. El sistema optomecánico según la reivindicación 4, en el que el diámetro del contorno de las lentes de la segunda capa óptica (20") es igual o menor que el diámetro del contorno de las lentes de la primera capa óptica (20').
6. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las lentes son de vidrio, PMMA, silicona, silicona adherida a vidrio o PC.
7. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que cada uno del uno o más haces concentrados de la luz incidente (50) es captado por una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B) situada en el foco de la correspondiente lente de la disposición óptica (20).
8. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''') comprende un primer elemento óptico adicional (80) para mejorar la aceptación angular y/o mejorar la homogeneidad de distribución del correspondiente haz concentrado (50) de la luz incidente y/o aumentar el factor de concentración.
9. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el sistema optomecánico (10) comprende al menos un segundo elemento óptico adicional (80') para dividir el al menos un haz concentrado (50) de la luz incidente en haces de luz con diferentes longitudes de onda (60), siendo cada uno de los haces individuales de luz con diferentes longitudes de onda captados por una célula solar distinta (31', 31", 31” ').
10. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el sistema optomecánico (10) comprende además una guía de ondas (90) para recibir el uno o más haces concentrados (50) de luz incidente y guiar el uno o más haces concentrados de luz incidente hacia la al menos una célula solar (31A, 31B).
11. El sistema optomecánico según la reivindicación 10, en el que la al menos una célula solar (31A, 31B) está situada en el lateral y/o debajo de la guía de ondas (90).
12. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el sistema optomecánico (10) comprende además al menos una célula solar (35) para captar luz difusa o cualquier otra luz no captada de otro modo por la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''').
13. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el mecanismo de desplazamiento es capaz de mover la disposición óptica (20) con respecto a la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B) a lo largo de uno, dos o tres ejes perpendiculares.
14. El sistema optomecánico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el movimiento del mecanismo de desplazamiento se basa en la deformación mecánica y en el que el mecanismo de desplazamiento comprende unos resortes elásticos y/o paletas o suspensiones de ballesta.
15. Un procedimiento para capturar y transmitir luz incidente (40) con una dirección de incidencia variable hacia al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), que comprende
capturar un haz de la luz incidente (40) por medio de una disposición óptica (20), concentrar el haz capturado de la luz incidente, y transmitir uno o más haces concentrados (50) de la luz incidente hacia la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), y
mover la disposición óptica (20) con respecto a la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B) por medio de un mecanismo de desplazamiento, en el que el movimiento del mecanismo de desplazamiento es controlable de tal manera que, el uno o más haces concentrados (50) de la luz incidente pueden ser captados por la al menos una célula solar (31, 31', 31", 31''', 31A, 31B), para cualquier dirección de incidencia de la luz incidente (40),
caracterizado por el hecho de que la disposición óptica (20) comprende una primera capa óptica formada por lentes ópticas que tienen una curvatura asférica, teniendo al menos una superficie de las lentes una curvatura polinómica con múltiples órdenes, en el que la curvatura polinómica con múltiples órdenes presenta al menos un punto de inflexión.
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