ES2987375T3 - Potenciador solar óptico - Google Patents
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Abstract
Un potenciador solar óptico comprende un panel que tiene una superficie superior y una superficie inferior y un plano central imaginario que se extiende entre la superficie superior y la superficie inferior. El panel incluye una pluralidad de características generalmente paralelas configuradas para aumentar de forma variable la energía radiante que entra en la superficie superior en un ángulo agudo con respecto al plano central, de modo que el efecto sea más fuerte en ángulos más bajos (sol de la mañana temprano y del final del día) y más débil en ángulos más altos (sol del mediodía) y luego redirigir la energía radiante aumentada a través de la superficie inferior. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Potenciador solar óptico
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente estadounidense No. US 2017/0062631 A1 presentada el 1 de mayo de 2014 titulada "Potenciador solar óptico".
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere en general a un potenciador solar óptico y, en algunos modos de realización, a paneles o películas de potenciación fotovoltaica (FV) para su uso con o en paneles, matrices o módulos solares (o con células solares individuales u otro dispositivo FV) para mejorar la eficiencia solar.
El documento US2010/0181014 describe una película de potenciación fotovoltaica (FV) provista de estructuras de potenciación de la absorción que incluyen, cada una, una superficie de recepción de luz. Las estructuras de potenciación de la absorción pueden estar configuradas para proporcionar una reflexión interna total cuando se aplican a un dispositivo FV.
El documento US2014053477 describe una claraboya fotovoltaica multifuncional con coeficiente de ganancia de calor solar dinámico y/o métodos para fabricar la misma. Una claraboya, comprende: una matriz lenticular proporcionada a lo largo de un eje común; y un sustrato que soporta una pluralidad de tiras de células solares generalmente alargadas, en donde la matriz lenticular y el sustrato están orientados una respecto al otro de tal manera que la claraboya tiene diferentes coeficientes de ganancia de calor solar (SHGC) durante al menos una primera y una segunda épocas del año, respectivamente. Un producto fotovoltaico integrado en edificios (BI-FV), comprende: una matriz de lentes proporcionada a lo largo de un eje común; y un sustrato que soporta una pluralidad de tiras de células solares generalmente alargadas, en donde la matriz de lentes y el sustrato están orientados entre sí de tal manera que la claraboya tiene diferentes coeficientes de ganancia de calor solar (SHGC) durante al menos una primera y una segunda épocas del año, respectivamente y en donde los diferentes SHGC son al menos parcialmente controlados mediante el diseño de la claraboya de tal manera que diferentes cantidades de luz del sol directa inciden sobre las tiras de células solares en las épocas correspondientes del año.
El documento US2012167946 describe un dispositivo de módulo solar que comprende: un sustrato que tiene una región superficial; una o más regiones fotovoltaicas que se superponen a la región superficial del sustrato, la una o más regiones fotovoltaicas que se derivan de un proceso de corte en dados de una célula solar, la célula solar que es una célula solar funcional; un elemento de cristal resistente a los impactos que tiene una pluralidad de elementos concentradores alargados dispuestos espacialmente en configuración paralela y acoplados, de forma operativa, respectivamente a la pluralidad de elementos concentradores alargados y dicho cristal resistente a los impactos que tiene una resistencia al impacto de al menos 2X mayor que un cristal sódico-cálcico plano libre de la pluralidad de elementos concentradores alargados, la resistencia al impacto que es de una prueba de caída de una bola de acero; una potencia nominal de al menos 200 vatios para el dispositivo de módulo solar; una carga mecánica de al menos 7200 Pa que caracteriza el cristal bajo en hierro resistente a los impactos que tiene la pluralidad de elementos concentradores alargados; y una eficiencia de al menos el 10% y mayor que caracteriza el dispositivo de módulo solar.
Breve resumen de la invención
La presente invención proporciona un potenciador solar óptico según la reivindicación 1.
El potenciador solar óptico comprende un panel. En un modo de realización, el panel tiene una sección transversal generalmente constante a través de toda su anchura. En un modo de realización, el panel está compuesto de polimetacrilato de metilo (PMMA). En un modo de realización, el panel incluye al menos una película acoplada a la superficie superior. En un modo de realización, la superficie inferior es plana. Según la invención, el panel no aumenta la energía radiante en un ángulo normal al plano central. En un modo de realización, el panel es una estructura unitaria. En un modo de realización, las características paralelas están configuradas para aumentar de forma variable la energía radiante que entra en la superficie superior dependiendo del ángulo agudo con respecto al plano central. En un modo de realización, el índice de refracción varía de la superficie superior a la superficie inferior. En un modo de realización, el panel está compuesto por dos o más materiales, cada uno que tiene un índice de refracción diferente.
La presente invención también proporciona un sistema fotovoltaico que comprende un panel fotovoltaico que tiene una superficie superior; y un potenciador solar óptico según cualquiera de las reivindicaciones adjuntas acoplado a la superficie superior del panel fotovoltaico.
En un modo de realización, el potenciador solar óptico incluye una pluralidad de separadores que sobresalen de una superficie inferior, los separadores configurados para separar la superficie inferior del potenciador solar óptico de la superficie superior del panel fotovoltaico. En un modo de realización, cada separador tiene una sección transversal generalmente en forma de diamante a lo largo de un plano paralelo al plano central del potenciador solar óptico. En un modo de realización, una salida de corriente inicial del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico a lo largo de un día de exposición al sol tiene una curva generalmente en forma de campana con respecto al tiempo, en donde cuando el potenciador solar óptico está acoplado con el panel fotovoltaico el panel fotovoltaico tiene una salida de corriente incrementada cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico, una salida de corriente máxima del panel fotovoltaico que permanece generalmente igual con y sin el potenciador solar óptico.
En un modo de realización, la salida de corriente inicial del panel fotovoltaico cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico aumenta al menos un 10% cuando el potenciador solar óptico está acoplado al panel fotovoltaico. En un modo de realización, una salida de corriente inicial del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico a lo largo de un día de exposición al sol tiene una curva generalmente en forma de campana con respecto al tiempo, en donde cuando el potenciador solar óptico está acoplado con el panel fotovoltaico el panel fotovoltaico tiene una salida de corriente aumentada cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico, una salida de corriente máxima del panel fotovoltaico que disminuye con el potenciador solar óptico en comparación con una salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico.
En un modo de realización, la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico con el potenciador solar óptico es al menos aproximadamente un 2% menor que la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico. En un modo de realización, el potenciador solar óptico se acopla al panel fotovoltaico mediante dos o más clips acoplados a una periferia del potenciador solar óptico y a una periferia del panel fotovoltaico. En un modo de realización, las características paralelas están configuradas para aumentar de forma variable la energía radiante que entra en la superficie superior dependiendo del ángulo agudo con respecto al plano central. En un modo de realización, el potenciador solar óptico se lamina directamente sobre la superficie de un panel solar.
Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos
La siguiente descripción detallada del potenciador solar óptico se entenderá mejor cuando se lea junto con los dibujos adjuntos de ejemplos. Debería entenderse, sin embargo, que la invención no se limita a las disposiciones precisas y los instrumentos mostrados.
En los dibujos:
La figura 1 es una vista en perspectiva de un potenciador solar óptico de acuerdo con un modo de realización de ejemplo de la presente invención que se muestra montado en un panel solar e ilustra la trayectoria del sol; y
La figura 2 es una vista lateral del potenciador solar óptico mostrado en la figura 1 que ilustra la trayectoria del sol;
La figura 3A es una vista en perspectiva de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 3B es una vista en perspectiva de una porción de otro potenciador solar óptico;
La figura 3C es una vista lateral del potenciador solar óptico mostrado en la figura 3A;
La figura 4 es una vista lateral ampliada de una porción del potenciador solar óptico mostrado en la figura 3A montado en un panel solar y que ilustra el aumento de la radiación solar;
La figura 5 es una vista lateral ampliada de una porción de un potenciador solar óptico compuesto por dos materiales con diferentes índices de refracción montado en un panel solar y que ilustra el aumento de la radiación solar
La figura 6 es una vista lateral de un ejemplo de dos materiales que pueden disponerse con un ejemplo que tiene diferentes índices de refracción para guiar la energía radiante a través de la superficie inferior;
La figura 7 es una vista lateral del potenciador solar óptico;
La figura 8A es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8B es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8C es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8D es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8E es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8F es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8G es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8H es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8I es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8J es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8K es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8L es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico
La figura 8M es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8N es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8O es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8P es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 8Q es una vista lateral de una porción de un potenciador solar óptico;
La figura 9A es una vista inferior de un potenciador solar óptico;
La figura 9B es una vista lateral del potenciador solar óptico mostrado en la figura 9A montado en un panel solar mediante un par de clips;
La figura 10A es un gráfico de la salida de corriente a lo largo del tiempo de un panel solar estándar;
La figura 10B es un primer gráfico de la salida de corriente a lo largo del tiempo del panel solar que tiene un potenciador solar óptico montado en su superficie; y
La figura 10C es un segundo gráfico de la salida de corriente a lo largo del tiempo del panel solar que tiene un potenciador solar óptico montado en su superficie.
Descripción detallada de la invención
La presente invención está dirigida a paneles o películas de potenciación fotovoltaica (FV), generalmente denominados en el presente documento como potenciadores solares ópticos, para su uso con o en paneles, matrices o módulos solares (o con células solares individuales u otro dispositivo FV) para mejorar las eficiencias solares. El potenciador solar óptico puede configurarse para aplicarse a matrices, paneles o módulos solares existentes (es decir, retroadaptación) y/o utilizarse con células solares/dispositivos FV durante la fabricación inicial.
En referencia a las figuras 1 y 2, la mayoría de los paneles 12 solares se instalan en un ángulo fijo con respecto a la trayectoria 14 del sol, lo que significa que la eficiencia del panel 122 solar disminuye cuando el sol no está por encima de la cabeza o los rayos del sol no son ortogonales al panel 12 solar (es decir, durante la mañana (posición del sol 16c) y la noche (posición del sol 16a)). Se han realizado intentos de reducir esta degradación o mejorar el acoplamiento de los fotones del sol añadiendo un revestimiento antirreflectante (AR) a la superficie superior de los paneles y/o instalando el panel solar en un mecanismo giratorio que siga al sol a través del cielo, manteniendo por tanto la superficie superior del panel generalmente ortogonal a los rayos del sol. Los revestimientos antirreflectantes y los sistemas de seguimiento pueden resultar caros y poco prácticos en determinadas aplicaciones. El potenciador 10 solar óptico, cuando se acopla al panel 12 solar, aumenta el acoplamiento de la luz del sol en el panel solar y, por lo tanto, mejora la eficiencia del panel solar sin necesidad de girar el panel solar ni de añadir un revestimiento AR al panel solar.
En un modo de realización, la función principal del potenciador solar óptico es aumentar el acoplamiento de la radiación solar en una célula solar, con el fin de aumentar la densidad de flujo y la cantidad de horas de funcionamiento en las que el panel solar puede producir energía. Lo ideal sería que el panel solar fuera capaz de recoger todos los fotones disponibles desde que el sol se eleva por encima de la línea de árboles hasta que se pone por debajo de ella. Sin embargo, las superficies de cristal convencionales de los paneles solares no son capaces de dirigir los fotones hacia la célula solar en los ángulos de incidencia menos profundos, especialmente más allá de los 25 grados desde la normal al plano del panel solar. El potenciador solar óptico redirige eficazmente la radiación solar hacia las células solares con poca o ninguna pérdida utilizando la reflexión interna total (TIR) y aumenta o amplifica la radiación solar redirigida utilizando la concentración óptica (por ejemplo, una superficie curvada). El potenciador solar óptico consiste en una lámina de material que se fija a la parte superior de un panel solar para aumentar la producción eléctrica en las horas de la mañana y la tarde, cuando la producción eléctrica de los paneles solares es menor. El potenciador solar óptico puede corregir la posición angular del sol y redirigir los rayos solares hacia el panel solar. En un modo de realización, el potenciador solar óptico incluye una pluralidad de características generalmente paralelas configuradas para aumentar de forma variable la energía radiante que entra en su superficie superior en un ángulo agudo con respecto al plano del potenciador solar, de forma que el efecto es más fuerte en los ángulos más bajos (sol de primera hora de la mañana y sol de última hora del día) y más débil en los ángulos más altos (sol de mediodía) y, a continuación, redirige la energía radiante aumentada a través de la superficie inferior del potenciador solar hacia el panel solar.
La estructura del potenciador solar óptico puede diseñarse para optimizar la eficiencia de un panel solar en todos los ángulos que no son óptimos en un panel solar fijo, aumentando el área efectiva de absorción a medida que el sol se mueve a través del cielo. El potenciador solar óptico puede considerarse un híbrido de concentrador de energía solar y atrapador de energía. La combinación relativa concentrador/atrapador varía en función del ángulo de incidencia de la radiación solar. La concentración de luz por el potenciador solar es una función del ángulo de entrada de la luz del sol respecto a la dirección normal al plano del panel solar. La función de concentración del potenciador solar puede ser tal que la radiación entrante que se aproxima al panel solar en un ángulo oblicuo se redirija de modo que entre en el panel más normal a dicho panel. En un modo de realización, el potenciador solar óptico es un concentrador dependiente del ángulo que tiene la mayor concentración de energía solar en los ángulos más grandes de la normal y reduce la concentración a medida que el ángulo se acerca al ángulo normal del panel con respecto al sol, donde el panel solar está en su máxima producción de energía.
El análisis de la salida eléctrica de los paneles solares ilustra una pérdida de producción eléctrica durante las horas de la mañana y de la tarde debido a pérdidas atmosféricas junto con ángulos de entrada no normales al panel solar. Debido a las restricciones del sistema de distribución eléctrica sobre la salida de potencia máxima, una forma óptima del potenciador solar óptico corrige estas pérdidas sin aumentar la producción eléctrica máxima durante el pico de exposición solar.
El potenciador solar óptico puede fijarse (por ejemplo, acoplarse o laminarse) a una matriz solar de manera que el lado de la estructura de potenciación de la absorción esté orientado hacia el sol y el lado opuesto (normalmente plano) esté en contacto con el lado receptor de luz y/o las superficies de las células solares de la matriz solar (por ejemplo, fijado con adhesivo al material FV de una célula solar, a un revestimiento o elemento de cristal protector, a una capa de material(es) AR o similares).
Con referencia a las figuras 3A, 3B y 3C, el potenciador 10 solar óptico puede incluir una superficie superior orientada hacia el sol 10e y una superficie inferior orientada hacia el panel 10f solar y un plano CP central imaginario que se extiende entre la superficie 10e superior y la superficie 10f inferior. Con referencia a la figura 4, el potenciador 10 solar óptico puede estar configurado para aumentar la energía 18 radiante que entra en la superficie 10e superior en un ángulo agudo a (véase la figura 4) con respecto al plano CP central y redirigir la energía 18 radiante aumentada a través de la superficie 10f inferior y hacia el panel 12 solar.
La superficie 10e superior del potenciador 10 solar óptico tiene forma corrugada. En un modo de realización, la superficie 10e superior está formada por una pluralidad de valles o ranuras 10b generalmente paralelas. En un modo de realización, las ranuras 10b forman picos 10a generalmente paralelos y superficies 10c laterales convexamente curvadas que se extienden entre los picos 10a y las ranuras 10b. En un modo de realización, cada ranura 10b está situada entre un par de superficies 10c laterales, conformadas de forma convexa, configuradas para concentrar la energía radiante en una ubicación situada por debajo de la superficie 10f inferior desde cualquier lado lateral.
En algunos modos de realización, los valles o ranuras tienen un perfil en sección transversal que permanece constante a medida que se atraviesa la superficie superior del potenciador 10e solar en la dirección de los valles o ranuras (por ejemplo, dentro y fuera de la página en la figura 3C) es generalmente constante. En otros modos de realización, la forma de la sección transversal de los valles o ranuras varía de manera que las superficies 10c laterales convergen y/o divergen entre sí a medida que una atraviesa la superficie 10e superior del potenciador solar en la dirección de los valles o ranuras. Las ranuras 10b, los picos 10a y las superficies 10c laterales pueden estar configurados para orientarse ortogonalmente a la proyección de la trayectoria del sol a través del cielo sobre la superficie 10e de orientación solar del concentrador solar. En un modo de realización, la forma de la sección transversal del potenciador 10 solar óptico es constante y está orientada en el panel 12 solar con respecto a la trayectoria del sol, de manera que los picos 10a son generalmente ortogonales a la trayectoria del sol. En otro modo de realización, las superficies 10c laterales divergen entre sí de tal manera que cuando la trayectoria del sol que está más baja en el cielo (o la posición del panel 12 solar dificulta que las características de la superficie sean generalmente ortogonales a la proyección de la trayectoria del sol), la dirección de los valles o ranuras está más cerca de ser ortogonal a la proyección de la trayectoria del sol en la superficie orientada hacia el sol 10e de lo que habrían sido si las superficies 10c laterales hubieran sido completamente paralelas entre sí. En un modo de realización, los picos 10a se extienden a lo largo de una línea generalmente recta (véase, por ejemplo, la figura 3B). En otros modos de realización, los picos 10a se extienden a lo largo de una línea curvada u ondulada.
La superficie 10e superior del potenciador 10 solar óptico puede estar completamente expuesta al aire. En otros modos de realización, las ranuras 10b pueden rellenarse parcial o completamente con un material 22 (véanse las figuras 5 y 7) para aplanar la superficie 10e superior.
Con referencia a la figura 3C, los picos 10a de la superficie corrugada pueden generalmente estar en un plano paralelo al plano CP central. En otros modos de realización, los picos 10a pueden situarse generalmente sobre una superficie imaginaria curvada (por ejemplo, una curva única o una serie de curvas onduladas). La forma de la superficie 10e superior puede variar ampliamente para poner en práctica la invención con superficies 10c laterales arqueadas o no lineales (véanse las figuras 8A-8Q). En un modo de realización, la superficie 10e superior tiene una forma periódica, lisa y oscilante. En un modo de realización, la forma oscilante incluye una superficie 10c lateral que tiene al menos una porción que tiene una curvatura convexa. En un modo de realización, la forma curvada oscilante no es una onda sinusoidal. En los ejemplos según las reivindicaciones adjuntas, el radio de curvatura aumenta desde el pico 10a hasta la ranura 10b. En un modo de realización, las superficies 10c laterales son sólo convexas y se encuentran en un punto (véase la figura 8N). En los ejemplos según las reivindicaciones anexas, cada característica es simétrica con respecto a un plano vertical. Las superficies 10c laterales pueden tener una curvatura descrita por una ecuación matemática. En un modo de realización, las superficies 10c laterales tienen una curvatura aproximada por una ecuación polinómica de orden más alto, por ejemplo, una ecuación polinómica de quinto o sexto orden. En otros modos de realización, las superficies laterales tienen una curvatura aproximada por curvas de Bézier de orden más alto, por ejemplo curvas de Bézier de sexto u octavo orden. En un modo de realización, los picos 10a y las ranuras 10b se extienden a lo largo de líneas generalmente paralelas. En un modo de realización, el potenciador solar óptico tiene un perfil de sección transversal generalmente constante a través de toda su anchura. En ejemplos que no están de acuerdo con las reivindicaciones anexas, los picos 10a pueden ser convexamente curvados. En los ejemplos según las reivindicaciones adjuntas, los picos 10a son generalmente aplanados (véase la figura 8B). En un ejemplo que no está de acuerdo con las reivindicaciones anexas, los picos 10a son cóncavos (véase la figura 8F).
Con referencia a la figura 4, la curva de la superficie 10c lateral puede configurarse para enfocar la energía 18 radiante sobre la superficie del panel 12 solar para que la energía 18 radiante incida en el potenciador solar óptico en ángulos a (con respecto a la superficie 10f inferior) entre 0 grados y 90 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral está curvada para aumentar la energía radiante que entra en la superficie superior en un ángulo agudo con respecto al plano central, de forma que el aumento es mayor en los ángulos más bajos (sol de primera hora de la mañana y última hora del día) y más débil en los ángulos más altos (sol de mediodía). En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 5 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 10 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 15 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 20 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 25 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 30 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 35 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 45 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 55 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 60 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 65 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 70 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 75 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 80 grados. En un modo de realización, la superficie 10c lateral aumenta la energía radiante en un ángulo a de aproximadamente 85 grados.
Con referencia a la figura 3C, el tamaño de las características superficiales puede variar para llevar a la práctica la invención con algunos modos de realización utilizando características tan pequeñas como aproximadamente 300 nm de anchura w mientras que otras utilizan características de hasta 10 mm o más de anchura w. La altura h1 (o grosor) de las características también puede variar, siendo en algunos modos de realización muy finas (por ejemplo, unos 300 nm) mientras que otras son relativamente gruesas (por ejemplo, hasta unos 10 mm o más de altura). El espacio entre la superficie 10f inferior y las ranuras 10b puede variar para aumentar o disminuir la altura total h2 o el grosor del potenciador 10 solar óptico. La distancia entre las ranuras 10b y la superficie 10f inferior puede aumentarse para aumentar la resistencia del potenciador solar óptico y evitar que se rompa a lo largo de una ranura 10b. En un modo de realización, el potenciador solar óptico es una fina película flexible de 10 nm -1 cm de espesor. En un modo de realización de ejemplo, el potenciador solar óptico tiene un grosor aproximado de 50 pm.
Al tener las características de la superficie curvada, el potenciador solar óptico puede aumentar el área efectiva de absorción del panel solar correspondiente. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 1.25x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 1.5x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 1.75x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 2.0x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 2.25x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 2.50x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 2.75x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en aproximadamente 3.0x. En un modo de realización, el acoplamiento del potenciador solar óptico al panel solar aumenta el área efectiva de absorción del panel solar en más de 3.0x. En un modo de realización, el potenciador solar óptico es un dispositivo sin imagen.
El potenciador 10 solar óptico puede o no ser homogéneo en términos de índice de refracción en toda su estructura. En otros modos de realización, el potenciador 10 solar óptico puede o no ser homogéneo en su estructura en donde el índice de refracción tiene el mismo valor constante en todas partes. En otros modos de realización, el potenciador 10 solar óptico puede o no tener el mismo índice de refracción constante en toda su estructura.
Con referencia a las figuras 5-7, el potenciador 10 solar óptico puede incluir dos o más índices de refracción para guiar los rayos de ángulo poco profundo hacia el panel 12 solar. En un modo de realización, pueden utilizarse técnicas de índice de gradiente para curvar los rayos de ángulo poco profundo hacia el panel 12 solar (véanse las figuras 5 y 6). En un modo de realización, el potenciador solar óptico incluye dos o más materiales 22, 24, 26, 28 que tienen diferentes índices de refracción. El núcleo o material 22 interior que incluye las características de TIR puede incluir una o más capas 24 y 26 (véase la figura 7) que generalmente siguen el contorno de los picos 10a y las ranuras 10b. Además o alternativamente, las ranuras 10b o el área entre los picos 10a pueden rellenarse con un material 24 para aplanar la superficie 10e superior del potenciador 10 solar óptico. En un modo de realización, las ranuras 10b se rellenan de tal manera que tanto la superficie 10e superior como la superficie 10f inferior son generalmente planas. En un modo de realización, el aire ambiente tiene un índice de refracción n-i, el material de relleno 24 tiene un índice de refracción n<2>y los picos 10a o núcleo del potenciador 10 solar óptico tienen un índice de refracción n<3>donde n<1><n<2><n<3>. La variación de los índices de refracción utilizando dos o más materiales 10, 22, 24, 26 puede utilizarse para guiar la energía 18 radiante hacia el panel 12 solar. Como se muestra en la figura 5, el uso de dos materiales puede ayudar a guiar la energía 18 radiante hacia el panel 12 solar donde si sólo se omitiera el segundo material 24, la energía 18a radiante podría no ser desviada hacia el panel solar
En el ejemplo mostrado en la figura 7, pueden incluirse capas adicionales que tengan un índice de refracción particular o revestimientos tales como revestimientos 28 antirreflectantes. En un modo de realización, el potenciador solar óptico incluye al menos una película acoplada a la superficie superior y/o inferior. La capa 26 puede tener un grosor generalmente constante. En otros modos de realización, la capa 26 tiene un grosor variable y/o sólo se incluye en una porción de las características de TIR (por ejemplo, cerca de las porciones 10c curvas). En un modo de realización, los diferentes materiales se colocan en capas o se acoplan entre sí, por ejemplo utilizando un adhesivo para formar una estructura compuesta. En otros modos de realización, los diferentes materiales se forman integralmente entre sí, tal como mediante la transición del material en una impresora 3D para construir una estructura unitaria.
El potenciador solar óptico puede fabricarse de cualquier manera, incluido el moldeo (tal como el moldeo por inyección, el moldeo por compresión y el moldeo por transferencia), la extrusión, el estampado, el estampado en caliente, la fundición, la fundición continua, el corte, la impresión, la impresión en 3D y el conformado en frío. Las características de TIR curvadas superiores pueden formarse como parte del proceso de moldeo o extrusión o las características de TIR pueden crearse a través de un proceso separado como la estampación, el laminado, el grabado, la impresión o el laminado de un sustrato base.
El potenciador 10 solar óptico puede estar compuesto de un material de grado óptico o ópticamente transparente, tal como plástico, cristal, cerámica o vidrio. En un modo de realización, el material tiene una transmisividad superior al 90% aproximadamente. En un modo de realización, el material tiene una transmisividad superior al 95% aproximadamente. En un modo de realización, el material es altamente transmisivo a la luz, tal como un polímero curado por energía. En un modo de realización, el material tiene un índice de refracción superior a 1.4 aproximadamente. En un modo de realización, el material incluye aditivos estabilizadores medioambientales. En un modo de realización, el potenciador solar óptico está compuesto de polimetacrilato de metilo (PMMA). En un modo de realización, el potenciador solar óptico está compuesto de tereftalato de polietileno (PET). En un modo de realización, el potenciador solar óptico está compuesto de ACRYLITE® Solar IM20.
El potenciador 10 solar óptico puede acoplarse a un panel solar mediante cualquier manera deseada, como clips, raíles, adhesivo, cinta de espuma aislante o cinta adhesiva de doble cara para fijar el potenciador 10 solar óptico al panel solar. En un modo de realización, el potenciador 10 solar óptico está laminado o formado integralmente en el panel solar. El potenciador 10 solar óptico puede extenderse por toda la superficie superior del panel solar o por una porción. El potenciador 10 solar óptico puede incluir un único dispositivo por panel solar o el potenciador 10 solar óptico puede incluir una pluralidad de dispositivos dispuestos en una matriz sobre un panel solar.
Con referencia a las figuras 9A y 9B, el potenciador 10 solar óptico puede acoplarse al panel solar mediante uno o más clips 20 que encajan a presión en el perímetro del panel 12 solar. Los clips 20 pueden estar configurados para deslizarse sobre un borde del potenciador 10 solar óptico y ajustarse por compresión alrededor de la parte inferior del panel 12 solar para retener el potenciador 10 solar óptico en el panel solar. En un modo de realización, el potenciador 10 solar óptico incluye indicadores tales como flechas o una o más palabras para indicar qué lado del potenciador 10 solar óptico mira hacia arriba y la dirección de las ranuras/picos. En un modo de realización, las ranuras y los picos se colocan generalmente ortogonales a la trayectoria del sol. En un modo de realización, debido a que las características son simétricas, el potenciador 10 solar óptico puede instalarse en un panel solar en una primera posición o en una segunda posición 180 girada horizontalmente desde la primera posición. En un modo de realización, el potenciador 10 solar óptico puede laminarse directamente sobre la superficie del panel solar.
En un modo de realización, el potenciador 10 solar óptico incluye uno o más separadores 10d que se extienden desde la superficie 10f inferior para desplazar el potenciador 10 solar óptico de la superficie del panel solar. En un modo de realización, los separadores 10d ayudan a disminuir la longitud focal del potenciador 10 solar óptico y permiten disminuir su grosor. Los separadores 10d pueden estar formados integralmente con el potenciador 10 solar óptico o pueden estar fijados, por ejemplo, mediante un ajuste a presión o un adhesivo. Debido a que los clips 20 y/o un marco del panel 12 solar pueden hacer que el potenciador 10 solar óptico esté separado de la superficie del panel 12 solar, los separadores 10d pueden ayudar a mantener este espacio y evitar o reducir que el potenciador 10 solar óptico se hunda en el centro hacia la superficie del panel 12 solar. Los separadores 10d pueden tener una forma que reduzca la acumulación o recogida de material (por ejemplo, agua, suciedad, residuos) alrededor de los separadores 10d. En un modo de realización, los separadores 10d tienen un perfil puntiagudo o cónico en al menos una dirección, tal como una forma de diamante, triángulo u óvalo, para ayudar a desviar el material hacia un lado a medida que el material pasa entre el potenciador 10 solar óptico y el panel 12 solar.
La figura 10A ilustra los datos de una huerta solar sobre tejado compuesta por 280 paneles solares en un día despejado situada en Edgewater, Maryland. El gráfico representa la corriente producida a lo largo del tiempo, desde el amanecer al anochecer. Dado que los paneles solares están fijos en su lugar, la corriente producida se traza como una curva en forma de campana con la máxima corriente producida alrededor del mediodía, cuando el sol está generalmente perpendicular al panel solar y pérdida de producción eléctrica durante las horas de la mañana y la tarde.
El potenciador solar óptico, en un modo de realización, está configurado para producir una distribución de energía como se muestra en la figura 10B. Si se compara con el gráfico de producción de energía solar sin potenciador solar óptico (véase la figura 10A), la corriente producida llena generalmente el área en la que la producción solar es la menor. En un modo de realización, la potencia máxima producida no aumenta al utilizar el potenciador solar óptico. Esto puede ser importante debido a la garantía del fabricante, que podría quedar anulada si se aumentara la salida eléctrica durante los picos de producción. En un modo de realización, el potenciador solar óptico no hace que la producción de energía supere en ningún momento la salida máxima estándar del panel solar. El potenciador solar óptico puede extender las horas de salida máxima, como se muestra en la figura 10B.
En un modo de realización, la salida de corriente inicial del panel fotovoltaico cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico aumenta al menos aproximadamente un 10% cuando el potenciador solar óptico está acoplado al panel fotovoltaico. En un modo de realización, la salida de corriente inicial del panel fotovoltaico cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico aumenta al menos aproximadamente un 20% cuando el potenciador solar óptico está acoplado al panel fotovoltaico. En un modo de realización, la salida de corriente inicial del panel fotovoltaico cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico aumenta al menos aproximadamente un 30% cuando el potenciador solar óptico está acoplado al panel fotovoltaico. En un modo de realización, la salida de corriente inicial del panel fotovoltaico cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico aumenta al menos aproximadamente un 40% cuando el potenciador solar óptico está acoplado al panel fotovoltaico. En un modo de realización, la salida de corriente inicial del panel fotovoltaico cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico aumenta al menos aproximadamente un 50% cuando el potenciador solar óptico está acoplado al panel fotovoltaico. En un modo de realización, la salida de corriente inicial del panel fotovoltaico cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel fotovoltaico aumenta al menos aproximadamente un 60% cuando el potenciador solar óptico está acoplado al panel fotovoltaico.
Con referencia a la figura 10C, el panel solar, en combinación con el potenciador solar óptico, aumenta la salida de corriente durante la mañana y la noche cuando el sol está en un ángulo agudo con respecto al panel solar. En un modo de realización, la producción máxima de energía del panel solar sin el potenciador solar óptico se reduce con el uso del potenciador solar óptico debido a la dispersión de la energía radiante de los picos cuando el sol es generalmente ortogonal al potenciador solar óptico. La figura 10C ilustra que, en comparación con las figuras 10A y 10B la parte superior de la curva durante las horas punta entre las 11:45 y las 2:00 se reduce o aplana. En un modo de realización, la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico con el potenciador solar óptico es al menos aproximadamente un 0.5% menor que la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico. En un modo de realización, la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico con el potenciador solar óptico es al menos aproximadamente un 1% menor que la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico. En un modo de realización, la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico con el potenciador solar óptico es al menos aproximadamente un 1.5% menor que la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico. En un modo de realización, la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico con el potenciador solar óptico es al menos aproximadamente un 2.0% menor que la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico. En un modo de realización, la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico con el potenciador solar óptico es al menos aproximadamente un 2.5% menor que la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico. En un modo de realización, la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico con el potenciador solar óptico es al menos aproximadamente un 3.0% menor que la salida de corriente máxima del panel fotovoltaico sin el potenciador solar óptico.
Se apreciará por aquellos expertos en la técnica que podrían hacerse cambios a los modos de realización de ejemplo mostrados y descritos anteriormente sin alejarse de los amplios conceptos inventivos de la misma. Se entiende, por lo tanto, que esta invención no se limita a los modos de realización de ejemplo mostrados y descritos, sino que pretende cubrir modificaciones dentro del alcance de la presente invención, tal como se define en las reivindicaciones. Por ejemplo, características específicas de los modos de realización de ejemplo pueden o no formar parte de la invención reivindicada y pueden combinarse diversas características de los modos de realización descritos. A menos que se establezca de forma específica en el presente documento, los términos "un/uno/una" y "el/la/lo" no se limitan a un elemento, sino que deben entenderse como "al menos uno".
Debería entenderse que al menos algunas de las figuras y descripciones de la invención han sido simplificadas para centrarse en los elementos que son relevantes para una clara comprensión de la invención, mientras que se eliminan, a efectos de claridad otros elementos que aquellos expertos medios en la técnica apreciarán que también pueden comprender una porción de la invención. Sin embargo, debido a que dichos elementos son bien conocidos en la técnica y debido a que no facilitan necesariamente una mejor comprensión de la invención, no se proporciona en el presente documento una descripción de dichos elementos.
Claims (9)
1. Un potenciador (10) solar óptico que comprende:
un panel que tiene una superficie (10e) superior y una superficie (10f) inferior y un plano (CP) central imaginario que se extiende entre la superficie (10e) superiory la superficie (10f) inferior, el panel que incluye una pluralidad de características generalmente paralelas configuradas para aumentar la energía (18) radiante que entra en la superficie (10e) superior en un ángulo (a) agudo con respecto al plano (CP) central y redirigir la energía radiante aumentada a través de la superficie (10f) inferior;
en donde cada elemento incluye un par de superficies (10c) laterales conformadas de forma convexa configuradas para concentrar la energía (18) radiante en una ubicación por debajo de la superficie (10f) inferior y un pico (10a) generalmente aplanado;
en donde los elementos forman una superficie (10e) corrugada y cada elemento es simétrico con respecto a un plano vertical;
en donde la superficie corrugada es la superficie (10e) superior;
en donde al menos una porción de la superficie (10e) corrugada es curva; y
en donde la curva tiene un radio de curvatura creciente desde el pico hasta la ranura.
2. El potenciador solar óptico según la reivindicación 1, en donde las superficies (10c) laterales conformadas de forma convexa de las características (10b) adyacentes se encuentran en un punto.
3. El potenciador solar óptico según la reivindicación 1, en donde el panel comprende un núcleo de material (22) interior que define la pluralidad de características generalmente paralelas y comprende además una o más capas (24, 26) que siguen generalmente un contorno de los picos (10a) y las ranuras (10b) de las características.
4. El potenciador solar óptico según la reivindicación 1, en donde el panel:
(i) tiene una sección transversal constante a través de su anchura;
(ii) está compuesto de polimetacrilato de metilo (PMMA);
(iii) incluye al menos una película acoplada a la superficie (10e) superior;
(iv) es una estructura unitaria;
(v) no aumenta la energía radiante en un ángulo normal al plano (CP) central; o
(vi) se compone de dos o más materiales, cada uno que tiene un índice de refracción diferente.
5. El potenciador solar óptico según la reivindicación 1, en donde la superficie (10f) inferior es plana o en donde el índice de refracción varía desde la superficie (10e) superior a la superficie (10f) inferior.
6. Un sistema fotovoltaico que comprende:
un panel (12) fotovoltaico que tiene una superficie superior; y
un potenciador (10) solar óptico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores acoplado a la superficie superior del panel (12) fotovoltaico.
7. El sistema fotovoltaico según la reivindicación 6, en donde el potenciador (10) solar óptico incluye una pluralidad de separadores (10d) que sobresalen de una superficie (10f) inferior, los separadores (10d) configurados para separar la superficie (10f) inferior del potenciador (10) solar óptico de la superficie superior del panel (12) fotovoltaico.
8. El sistema fotovoltaico según la reivindicación 7, en donde cada separador (10d) tiene una sección transversal en forma de diamante a lo largo de un plano paralelo al plano (CP) central del potenciador (10) solar óptico.
9. El sistema fotovoltaico según la reivindicación 6, en donde el potenciador (10) solar óptico está acoplado al panel (12) fotovoltaico utilizando dos o más clips (20) acoplados a una periferia del potenciador (10) solar óptico y a una periferia del panel (12) fotovoltaico o en donde el potenciador (10) solar óptico está laminado directamente a una superficie de un panel (12) solar.
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