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Title:
LINE-TO-POINT FOCUS SOLAR TRACKING CONCENTRATOR AND METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/171536
Kind Code:
A1
Abstract:
A line-to-point focus solar tracking concentrator (LTSC) comprising a PTC mirror and a Fresnel lens with two sections, both mounted on a dual axis tracker, and a method for concentrating solar radiation in a point.

Inventors:
LEÓN ROVIRA, Noel (Avenida Eugenio Garza Sada #2501 Sur, Colonia TecnológicoMonterre, Nuevo León ., 64849, MX)
GARCÍA LARA, Héctor Daniel (Avenida Eugenio Garza Sada #2501 Sur, Colonia TecnológicoMonterre, Nuevo León ., 64849, MX)
RAMÍREZ PAREDES, Carlos Alejandro (Avenida Eugenio Garza Sada #2501 Sur, Colonia TecnológicoMonterre, Nuevo León ., 64849, MX)
Application Number:
MX2016/000032
Publication Date:
October 05, 2017
Filing Date:
March 29, 2016
Export Citation:
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Assignee:
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY (Avenida Eugenio Garza Sada #2501 Sur, Colonia TecnológicoMonterre, Nuevo León ., 64849, MX)
International Classes:
F24J2/06; F24J2/46; F24J2/54
Attorney, Agent or Firm:
CANTÚ ORTIZ, Francisco Javier (Avenida Eugenio Garza Sada #2501 Sur, Colonia TecnológicoMonterre, Nuevo León ., 64849, MX)
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Claims:
REIVINDICACIONES.

1. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual comprendiendo:

medios para reflejar rayos solares capaces de recibir los rayos del sol a un medio ángulo Θ y reflejar dichos rayos de luz al mismo medio ángulo Θ, en una área de concentración lineal;

medios de lente capaces de recibir la concentración lineal reflejada por los medios reflectivos de rayos solares y convertir dicha concentración lineal en un punto de luz mediante refracción.

2. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 1, en donde los medios para reflejar rayos solares comprenden un recolector cilindro parabólico de dos ejes (PTC) que comprende un espejo que tiene una forma parabólica en 2D para reflejar cada rayo que incide en su superficie hacia una linca.

3. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 1, en donde los medios de lente comprenden una lente Fresnel (FL) para transformar la concentración lineal producida por el recolector cilindro parabólico de dos ejes (PTC) en un punto medio mediante refracción, dicha lente Fresnel comprendiendo una lente que tiene una superficie interna y una superficie externa.

4. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 1, en donde la superficie interna de la lente Fresnel tiene una pluralidad de estrías, cada una paralela a un eje longitudinal de la lente Fresnel.

Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 3, en donde la superficie externa de la lente Fresnel tiene una pluralidad de estrías circulares concéntricas, en donde cada estría circular concéntrica es concéntrica alrededor de un eje perpendicular central de la lente Fresnel.

6. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 3, en donde cada una de las secciones transversales de la superficie interna y de la superficie externa de la lente Fresnel comprende un arreglo de prismas, cada uno teniendo una inclinación diferente.

7. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 3, en donde cada una de las secciones transversales de la superficie interna y de la superficie extema de la lente Fresnel comprende un arreglo de prismas, cada uno teniendo una inclinación diferente que depende del grupo de características que comprende: de la distancia entre el medio-paso s del prisma, el eje óptico de la lente, el índice de refracción del material de las lentes y su longitud focal, y en donde las inclinaciones pueden ser obtenidas usando la siguiente ecuación:

en donde:

E es la inclinación;

R es la distancia entre el medio-paso del prisma, el eje óptico de la lente el índice de refracción del material de las lentes y su longitud focal;

índice de refracción del material de la lente; y

fin,out es la longitud focal de la lente.

8. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 7, en donde el paso s de prisma tiene el mismo valor para la superficie interna y para la superficie externa de la lente.

9. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 7, en donde se utiliza un paso s de prisma constante.

10. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 7, en donde los prismas tienen paso variable.

11. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 7, en donde los valores de la longitud focal de la superficie interna y de la superficie externa son determinados por su ángulo de borde.

12. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con la reivindicación 7, en donde los valores de la longitud focal de la superficie interna y de la superficie externa son determinados por su ángulo de borde, los cuales son establecidos como para la superficie interna y para la

superficie externa de manera correspondiente.

13. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con las reivindicaciones 2 y 7, en donde los valores de las longitudes focales de la superficie interna y de la superficie externa son iguales al ángulo de borde del recolector cilindro parabólico de dos ejes (PTC).

14. Un concentrador de seguimiento solar lineal a puntual de conformidad con las reivindicaciones 2 y 7, en donde los valores de las longitudes focales de la superficie interna y de la superficie externa son iguales al ángulo de borde del recolector cilindro parabólico de dos ejes (PTC), el cual tiene un valor de el cual indica que

en la siguiente ecuación:

en donde a¡ es: el tamaño de la superfice interna o externa de la lente en donde fies: la longitud focal de la superficie interna o externa de la lente.

en donde el sufijo / es reemplazado por el termino PTC in o out de conformidad con el valor requerido de superfice interna in o externa out.

15. Un método para concentrar la irradiancia solar en un punto, comprendiendo:

a) proveer medios para reflejar rayos solares capaces de recibir los rayos del sol a un medio ángulo Θ y reflejar dichos rayos de luz al mismo medio ángulo Θ, de esta manera cubriendo un área de concentración lineal; y

b) proveer medios de lente capaces de recibir la concentración lineal reflejada por la superficie reflectiva y convertir dicha concentración lineal en un punto de luz mediante refracción.

16. Un método para concentrar la irradiancia solar en un punto de conformidad con la reivindicación 15, en donde la etapa a) se lleva a cabo mediante la provisión de un recolector cilindro parabólico de dos ejes (PTC) como se reivindicó en las reivindicaciones 2 a 14.

17. Un método para concentrar la irradiancia solar en un punto de conformidad con la reivindicación 1 S en donde la etapa b) se lleva a cabo mediante la provisión de una lente Fresnel como se reivindicó en las reivindicaciones 2 a 14.

Description:
CONCENTRADOR DE SEGUIMIENTO SOLAR LINEAL A PUNTUAL Y MÉTODO ANTECEDENTES DE LA INVENCION.

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención esté relacionada a concentradores solares, y más particularmente a un concentrador solar que comprende un colector cilindro parabólico de dos ejes y lentes Fresnel de dos secciones para concentración solar puntual, y un método para concentrar los rayos solares en un punto. DESCRIPCION DEL PROBLEMA Y ARTE RELACIONADO.

La función de la concentración solar es el proporcionar flujo de energía solar altas temperaturas en un área pequeña bien definida. Esto es logrado mediante la interposición de un cuerpo óptico entre el sol y la superficie absorbente. La función de estos cuerpos, los cuales son típicamente espejos parabólicos o lentes, es interceptar la radiación solar y concentrarla en un receptor. Dependiendo de la cantidad energía a recolectar, la concentración puede ser provista mediante un enfoque en línea o puntual.

La concentración linear se efectúa principalmente mediante recolectores cilindro parabólico (PTC) en los cuales la radiación solar entrante se concentra en una línea mediante el seguimiento del movimiento solar alrededor de un eje. Los PTCs Son capaces de concentrar influjo solar de energía de 30 a 80x, alcanzan temperaturas de entre 150° a 400° en el receptor [1, 2]. Necesitan estar montados en una estructura de acero para mantener la geometría y soportar el peso bajo altas cargas de viento, lo cual incrementa el costo de toda la unidad. Para reducir el costo estructural, la forma del PTC se puede aproximar al de un arreglo de espejos colocados a nivel del suelo, de esta manera reduciendo las demandas estructurales, pero incrementando la complejidad del seguimiento, ya que cada espejo requiere movimiento independiente para reflejar la radiación de los rayos hacia una línea [3}.

El mayor problema con los concentradores lineales es que es difícil en lograr altas concentraciones. Por (o tanto, el perfil parabólico 2D del PTC, puede girar alrededor de su eje óptico, formando un recolector de disco parabólico 3D (PDC) El cual es capaz de concentrar el flujo solar en un punto medio entre el seguimiento del sol en dos ejes. Los PDCs pueden concentrar la radiación solar de 1000 a 4000x, alcanzando temperaturas de entre 750 °C a 1400 °C en el receptor [2]. A pesar de su desempeño, la forma parabólica 3D incrementa el costo del sistema debido a la complejidad de su manufactura. De manera similar a los concentradores lineares, su forma se puede aproximar mediante espejos planos pequeños, lo cual reduce el costo de la superficie reflejante, pero incrementa la complejidad de la estructura de soporte, ya que cada espejo necesita ser montado en una posición diferente con respecto al receptor.

Una alternativa más barata a las superficies reflejantes es el uso de recolectores de lentes Fresnel (FL), los cuales son esencialmente una cadena de prismas que duplican la inclinación de lentes convencionales plano convexos o esféricos, pero sin tener el material de su cuerpo completo [5]. El principal objetivo del FL es el refractar los rayos del sol y concentrarnos en un enfoque de linea o puntual, dependiendo de si se trata de un perfil extraído o circular. A diferencia de los concentradores de espejo, la desviación de la luz en un FL sigue la ley de Snell's, la cual ocurre cuando el rayo viaja de un medio con un Indice de refracción dado a otro con un diferente índice. La principal ventaja de los FLs es que están fabricados usando un material relativamente barato, típicamente polimetilmetacrilato (PMMA). Sin embargo, los costos de manufactura se incrementan con el tamaño, ya que FLs de gran escala deben de ser fabricados en secciones pequeñas y el tamaño del prisma debe ser lo suficientemente pequeño para concentrar el flujo solar de energía apropiadamente [7].

Se han descrito en la literatura alternativas inovadoras como la combinación de superficies refractivas y reflectivas. Se describen ejemplos en [8. 9] en donde un recolector de dos etapas transforma una concentración linear en varios puntos. La primera etapa es lograda mediante un FTC de un eje que concentra la radiación solar entrante en una línea. Luego, la segunda etapa ocurre cuando un arreglo desde Concentradores Parabólicos Compuestos estacionarios (CPC) distribuidos a lo largo de dicha linea, la refracta en varios puntos, un punto por cada CPC. Conceptos similares son descritos en: [10,11] en donde, en lugar de encontrarse fijos, los CPCs cuentan con un segundo eje de seguimiento. Este seguimiento permite que las superficies de entrada se alineen en la dirección de la concentración linear durante todo el año, reduciendo el efecto del ángulo de inclinación provocado por la posición del sol en el PTC. Por otro lado, la transformación de una línea en un punto, parece ser un enfoque novedoso para reducir el costo por m 2 de superficie recolectora. Para esto, una superficie reflectora 2D asociado con un cuerpo refractivo secundario reemplaza la forma 3D. Por otro lado, un porcentaje de la línea concentrada se pierde debido a la separación de los cuerpos secundarios mientras que se pierde una reflexión considerable debido a las múltiples desviaciones de los rayos solares dentro de los mismos. Además, su peso puede ser considerable ya que presentan una forma de cuerpo completo en lugar de una configuración de FL.

Tomando en cuenta los diferentes tipos de concentradores solares previamente descritos, el solicitante propone un concentrador de seguimiento solar linear a puntual novedoso (LTSC) que comprende un espejo PTC y un FL de dos secciones, ambos montados en un rastreador solar de dos ejes. El PTC concentra lOx la radiación solar en una línea. Dado que los sistemas lineales tienen una concentración de flujo de energía baja, un FL de dos secciones cerca del área de enfoque transforma la línea en un solo punto, incrementando el radio de concentración de 10 a lOOx. Considerando le energía solar entrante, el concentrador solar de la presente invención es capaz de concentrar una radiación solar promedio de 518.8S7 W/m 2 con una transmitancia promedio de 0.8SS. La configuración del LTSC permite que la superficie parabólica 2D emule la función de una superficie 3D al tener un FL de dos secciones. Debido a que la forma 2D es más fácil para fabricar que una en 3D, el costo por unidad se reduce. Adicionalmente, el tamaño del FL de dos secciones es considerablemente reducido, ya que permanece cerca al foco lineal.

SUMARIO DE LA INVENCION

Es por lo tanto un objetivo principal de la presente invención, el proveer un concentrador de seguimiento solar linear a puntual (LTSC) que comprende un espejo PTC y un FL de dos secciones, ambos montados en un rastreador solar de dos ejes.

Es otro objetivo principal de la presente de la presente invención, el proveer un concentrador de seguimiento solar linear a puntual (LTSC) de la naturaleza anteriormente descrita, en donde el PTC concentra lOx la radiación solar en una línea.

Es otro objetivo principal de la presente de la presente invención, el proveer un concentrador de seguimiento solar linear a puntual (LTSC) de la naturaleza anteriormente descrita en donde el FL tiene dos secciones cerca del área de enfoque que transforman la línea en un solo punto, incrementando el radio de concentración de 10 a lOOx.

Es un objetivo adicional de la presente invención, el proveer un concentrador de seguimiento solar linear a puntual (LTSC) de la naturaleza anteriormente capaz de concentrar una radiación solar promedio de 518.8S7 W/m2 con una transmitancia promedio de 0.855.

Estos y otros objetivos y ventajas de la presente invención se harán aparentes a las personas con conocimientos normales en el ramo, de la siguiente descripción detallada de la invención. BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La Figura 1(a) es un diagrama del concentrador de seguimiento solar lineal a puntual, la Figura (b) muestra las superficies internas y externas de las lentes Fresnel.

La Figura 2 muestra un diagrama de la refracción de los rayos del sol a través de las lentes Fresnel de dos secciones. La figura 3 (a) es un diagrama que muestra una simulación de trazado de rayos desde el recolector cilindro-parabólico de dos ejes a la sección interna de las lentes Fresnel, Y la figura 3(b) es un diagrama que muestra la refracción de los rayos solares a través de la sección interna de las lentes Fresnel.

La figura 4 es una gráfica que muestra ta desviación ? de los rayos del sol a través del grosor de las lentes Fresnel usando (a) s = 0.00 lm, (b) s= 0.005m y (c) s = 0.0 lm.

La figura 5 (a) es una gráfica que muestra la irradiancia espectral solar usando un coeficiente de masa de aire de 1.5 (AM1.5) [3] con un ancho de banda infrarrojo (de ¿o = 0.790 aceptado por el PMMA Y mostrado en la tabla 1, la figura 5(b) es una gráfica

que muestra el índice de refracción de PMMA como una función de la longitud de onda.

La figura 6(a) es un diagrama que muestra una simulación de trazado de rayos de una línea a un punto en donde los rayos solares entrantes son colocados cerca del PTC, la Figura 6(b) es un diagrama que muestra un acercamiento del plano focal.

La Figura siete (a-g) son gráficas que muestran la distribución del ancho de banda del espectro solar en un punto y la Figura 7(h) es una gráfica que muestra una imagen de punto que incluye todos los anchos de banda. Las barras de colores representan la intensidad de la energía en W/m 2 distribuida sobre el plano focal.

La figura 8 son gráficas que muestran la transmitancia de la irradiancia de la radiación solar sobre el área del punto como una función de a) el ancho de banda y b) el espectro solar completo.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION.

El concentrador de seguimiento solar lineal a puntual (LSTC) de la presente invención será ahora descrito de acuerdo con una modalidad preferida del mismo y haciendo referencia a los dibujos que se acompañen, en donde el concentrador de seguimiento solar línea la puntual de la presente invención que combina reflexión y refracción de los rayos solares para concentrar el flujo de energía en un punto comprendiendo:

un recolector cilindro parabólico de dos ejes (PTC) que comprende un espejo que tiene una forma parabólica en 2D para reflejar cada rayo que incide en su superficie hacia una línea (ver Fig 1 (a));

una lente Fresnel (FL) para transformar la concentración lineal producida por el (PTC) de Dos ejes en un punto medio mediante refracción, dicha FL comprendiendo una lente que tiene una superficie interna y una superficie externa, cada una teniendo un perfil específico (ver Fig. 1(b)). La superficie interna recibe los rayos del sol divergentes de una línea y las refracta lo más paralelamente posible unas respecto a las otras a través del grosor de la lente hacia la superficie externa, en donde son desviados a un punto ψ.

La transformación de línea a punto es posible debido al cambio en la dirección de la sección transversal del PTC de dos ejes a la FL. Por otro lado, la sección transversal de la superficie interna de la FL tiene una pluralidad de estrías que se extienden a lo largo del eje-v, mientras que la sección transversal en la superficie externa de la FL tiene una pluralidad de círculos concéntricos, cada uno teniendo como eje, el eje-u en el centro de la FL.

La sección transversal de ambas superficies consiste un arreglo de prismas, cada uno con diferente inclinación. El valor en inclinación depende de la distancia R entre el medio-paso s del prisma y el eje óptico de las lentes, el índice de refracción del material de las lentes npum (1.49) y su longitud focal (ver Figura 2). Las pendientes se pueden encontrar usando la siguiente ecuación propuesta en [5], en donde:

El paso s del prisma tiene el mismo valor para el arreglo interno y externo de la lente mientras que la pendiente E puede ser obtenida de la Eq. (1) para ambas superficies. En el caso de la FL de línea a punto, se usa un paso de prisma constante. Sin embargo, pueden ser considerados prismas de paso variable [6]. En ambos casos, la trayectoria unos rayos del sol permanece igual dado que la relación entre Z y R se mantiene.

Los valores de las longitudes focales de las secciones internas y externas, son determinados por su ángulo de borde, los cuales son establecidos como ψίη = 26.6° y ψοαί, = 26.6°. Ambos son iguales al ángulo de borde del PTC, El cual también tiene un valor de ψΡΤ€ - 26.6°. Esto indica que a basado en la siguiente ecuación:

a representa el tamaño de la lente, es decir, el ancho de la superficie interna de la Lente Fresnel o la diagonal de la superficie externa, es la distancia de la "distancia focar. De conformidad, el subíndice / para ambos valores es reemplazado por el término PTC, in o ota de acuerdo con el valor requerido. Ambas dimensiones se encuentran señaladas en la Figura Ib como Con estos términos en mente, la trayectoria de los rayos a través del sistema se explica en detalle a continuación. (desde la línea formada hasta la lente Fresnel), esta dimensión se encuentra especificada en la Figura la, de manera similar f_o es la distancia desde la lente hacia el centro de concentración (puntual). De igual manera en la figura vienen como fjn, f out

La trayectoria de los rayos del sol a través del PTC depende de la dirección en la cual llegan a la tierra, su reflexión en la PTC y su refracción en la FL. Idealmente, los rayos del sol tienen una dirección co-paralela a la tierra. Sin embargo, la distancia entre el sol y la tierra y sus tamaños relativos causan que los rayos entrantes incidan en el PTC con un ^ medio ángulo Os = 0.275° como se muestra en la Fig. 1(a). Esto provoca que los rayos del sol sean reflejados en el PTC con el mismo medio ángulo, de esta manera convergiendo en un área cercano a la línea. Una vez que se pasa esta área, los rayos del sol divergen hacia la sección interna de las lentes, cuya función es la de refractarlos a través del grosor de las lentes hacia la sección externa. De manera ideal, la dirección de los rayos del sol dentro del grosor de la lente, debe ser paralela al eje-u de tal forma que la sección exterior puede concentrar los rayos del sol al centro del punto. Sin embargo, el medio ángulo causa que los rayos del sol sean reflejados a un ángulo

La magnitud de depende del ángulo de divergencia ω de los rayos del sol reflejados

a la normal de la superficie de entrada del prisma de la superficie interna. Cuando el prisma

se encuentra más lejos del centro óptico, el ángulo ω es mayor. Este ángulo puede ser obtenido usando la fórmula de la ley de Snell [Sj:

en donde nair es el índice de refracción del aire (1.0) y n es el ángulo de refracción dentro del grosor de la lente. De manera ideal, solamente hay un solo rayo por cada prisma en la superficie interna. Sin embargo, como resultado de la divergencia de la línea, más de un rayo, cada uno en una diferente dirección, pasa a través del mismo prisma y se desvía a un ángulo 7 diferente. En consecuencia, mientras más grande sea el paso s del prisma sea mayor, mayor será el número de rayos del sol que pasan a través del mismo y su desviación del eje-u.

Para medir la desviación de los rayos del sol, , se realizó una simulación óptica usando tres diferentes pasos (0.00 lm, O.OOSm and 0.0 lm). La simulación fue realizada usando un PTC

colocada a 90° con respecto a la apertura del PTC para emular su posición en relación con el sol a una hora particular del día. La fuente fue programada para simular 1 X 10 4 rayos de luz del sol considerando su medio ángulo (ver Fig. 3). De la simulación de trazado de rayos, se obtuvo la desviación ? de los rayos del sol dentro del grosor de las lentes. Esta dirección fue calculada usando la ecuación:

en donde son componentes vectoriales de los rayos del sol dados por el

software de simulación. La desviación có)ho una función de am, dado el paso de prisma previamente descrito, se traza en la Fig. 4. El objetivo fue el obtener el paso en el cual la desviación tiene la variabilidad más baja. Puede ser notado que mientras más bajo sea el paso, más bajo será el rango en el cual se desvían los rayos del sol. Por ejemplo, unas lentes con un valor tiene una desviación desde 0.01° to 1.86°. Por otro lado, un valor de s =

O.Olrn desvía los rayos del sol desde 0.003° to 3.2° a través del grosor de las lentes. Por lo tanto, una superficie interna con un paso de prisma pequeño refractará los rayos del sol cercanos al eje-u hacia la superficie externa, la cual los refractará más cerca al centro del punto. Además, cuando el paso tenga un valor pequeño o, en otras palabras, tienda a 0.0, un pequeño número de rayos pasara a través del prisma, de esta manera aceptando un rango ω reducido.

Hasta ahora, un valor de 1.49 fue tomado para que sea el índice de refracción PMMA. Este valor representa la interacción del material con la luz amarilla del espectro solar a una longitud de onda de S89.2 μτα [5]. Sin embargo, es bien sabido que la luz del sol está compuesta por varías longitudes de onda, cada una con una irradiancia espectral solar específica, como se muestra en la Fig. 5(a). Estas longitudes de onda afectan la trayectoria de los rayos solares a través de la FL, la cual, de manera diferente al PTC, sufren de aberraciones cromáticas (CA). Las aberraciones cromáticas (CA) surgen del hecho de que el índice respectivo de la lente depende de la longitud de onda de la luz [12]. Esto causa la separación de los rayos solares en sus diferentes longitudes de onda una vez que sean refractadas por la superficie interna y externa de las lentes. Siguiendo una ley de Snells, las longitudes de onda más corta se refractan más lejos de la línea normal de la superficie entrada del prisma que las longitudes de onda más largas, de esta manera limitando el radio de concentración en él debido a la dispersión de la luz. El cambio del índice refractivo como función de la longitud de onda A, se aproxima a la fórmula de dispersión de Hartmann's [5]: La relación entr se muestra en la Fig. 5(b). Se puede observar que el índice

de refracción disminuye cuando la longitud de onda se incrementa en el rango aceptado por el PMMA (de 0.4047 μτη a 1.083 μτη [13]). El efecto de la CA en el sistema LTSC se muestra a través de una simulación de trazado de rayos. El objetivo era el calcular la distribución de luz en el área del punto surgiendo desde la geometría del PTC y de la FL y del efecto de la CA. La simulación fue llevada cabo usando la superficie interna del PTC y de la FL anteriormente descrita. En este caso, la superficie externa se incluy

El paso de prisma para ambas superficies se estableció como s - 0.001 m.

La frenóle los rayos del sol fue programada para simular el espectro solar aceptado por el PMMA dividido en ocho diferentes anchos de banda (ver Tabla 1). El valor de la longitud de onda promedio para cada ancho de banda se tomó para representar el ancho de banda completo en sí mismo. Para cada ancho de banda, Se trazaron 1 χ 10 4 rayos hacia la apertura del PTC, tomando en cuenta la dirección de su medio ángulo (ver Fig. 6).

La imagen simulada del punto para cada ancho de banda se muestra en la Fig. 7. Se observa que la dispersión de los rayos solares en cada ancho de banda (a-g) ocupa un área de aproximadamente incluyendo la imagen del punto que tomen cuenta el espectro solar completo (h). El área ocupada en el plano de enfoque por dicha distribución determina el radio de concentración del sistema LTSC. Éste radio es logrado en dos etapas. La primera etapa es la concentración lineal de los rayos del sol reflejados desde el PTC hacia la superficie interna de la FL. Considerando ambas áreas, de la FL, la

primera etapa de concentración tiene un valor de lOx. La segunda etapa es la transformación de esta línea en un punto basado en la refracción de la lente. Con el área de la lente previamente mencionada y la imagen que incluye el espectro solar completo en la Fig.7(h), la segunda etapa de concentración tiene un valor de 1 Ox. Por lo tanto, el radio de concentración resultante desde el PTC al punto es de lOOx. Aunque este radio describe el área en donde los rayos concentrados son distribuidos, no provee información acerca del flujo de la radiación solar transmitido al punto. Para describirlo, la reflectancia del PTC y la transmitancia de la FL deben ser establecidos. Ambos parámetros son descritos en la siguiente sección.

La pérdida de reflectancia del PTC se toma como prrc= 0.05, lo cual resulta en una transmitancia de se la radiación solar incidiendo en su superficie

y reflejada de esta manera a la lente. En contraste, las pérdidas de reflectancia de la FL dependen de los ángulos de incidencia y refracción de los rayos solares en cada prisma y de la polarización de la radiación solar. De acuerdo con [5], la luz solar se considera que está no polarizada. Sin embargo, los coeficientes reflexión paralelos y perpendiculares, los cuales se refieren al plano abarcado por la superficie incidente y normal, tienen que ser calculado con las ecuaciones de Fresnel:

Las ecuaciones (7 - 8) solamente consideran el paso de los rayos solares del aire a la superficie interna de la lente (ver Fig.2). Para la superficie externa, los coeficientes de reflexión reemplazando los ángulos y co cón y el ángultf ie

incicrj'iciaeo'e los rayos solares en los prismas desde la superficie extema y el ángulo de refracción en el aire, respectivamente. Por lo tanto, la transmitancia de la radiación solar a través de la lente puede ser obtenida de:

Las ecuaciones (6-9) fueron programadas en la simulación detrás algo del rayo para obtener la transmitancia total del LTSC. El número de rayos previamente descrito fue trazado hacía la apertura del PTC desde cada ancho de banda mostrado en la Fig. 7. Esto resulta en un total de 7 x 10 4 rayos desde la fuente, dado su medio ángulo. £1 plano de punto v - w fue tomado para hacer el área de medición de transmitancia. Los resultados se muestran en la Fig. 8, en donde se muestra la transmitancia de cada ancho de banda y del espectro solar completo. Se puede observar que se distribuye sobre el plano del punto en cada caso, alcanzando valores pico en el área central. Las transmítancias máxima, mínima, y promedio para cada caso se resumen en la Tabla 2. Tomando estos valores, se obtiene el rango de transmitancia para el espectro solar completo sobre él punto. Su rango varía desde

considerando la distribución de transmitancia dentro de este rango, el valor promedio resulta

La transmitancia distribuida impacta en la cantidad de energía solar a concentrar. Dado que lo anterior depende de La longitud de onda de la luz del espectro solar, cada ancho de banda descrito en la Tabla 1 proporciona una diferente cantidad de energía al punto. Para calcular la energía concentrada, se necesita obtener la irradiancia proporcionada por el sol por ancho de banda. Luego, dicha irradiancia debe ser multiplicada por la transmitancia a través del LTSC.

El primer paso se efectúa mediante la aproximación del área bajo la curva de la irradiancia espectral solar (de 0.405 a 1.083 um) mediante la suma de la fracción correspondiente de ancho de banda, cada una calculada mediante la multiplicación de (la i AArencia entre y ^el 8 λ/ho de banda de interés, mediante la irradiancia espectral promedio S bajo dichos límites. Por ejemplo, el espectro solar infrarrojo tiene una energía promedio de: El

El segundo paso se logra cuando la irradiancia promedio correspondiente del sol y las transmitancias obtenidas de cada ancho de banda se multiplican como sigue:

En donde ¡SPOT es la irradiancia entregada en el punto. La distribución de ISPOT para cada ancho de banda sobre el plano de enfoque se muestra en la Fig. 7. Dado que cada ancho de banda entrega un diferente rango de irradiancia concentrada, sus valores promedios correspondientes ISPOT se enlistan en la Tabla 4. Se puede ver que el ISPOT mínimo es proporcionado por la luz amarilla del espectro solar con un valor de 17.272W/W 2 . De manera puesta, la irradiancia máxima corresponde a la luz infrarroja con un valor de 139.601 W/m 2 . Mediante la suma de la irradiancia promedio de cada ancho de banda, la irradiancia total sobre el punto es ISPOT = 518.857 W/m 2 .

De acuerdo con lo anterior, se describe un método para concentrar la irradiación solar en un punto comprendiendo: a) proveer medios para reflejar rayos solares capaces de recibir los rayos del sol a un medio ángulo Θ y reflejar dichos rayos de luz al mismo medio ángulo Θ, de esta manera cubriendo un área de concentración lineal;

b) proveer medios de lente capaces de recibir la concentración lineal reflejada por la superficie reflectiva y convertir dicha concentración lineal en un punto de luz mediante refracción;

en donde la etapa a) se lleva a cabo medíante la provisión de un recolector cilindro parabólico de dos ejes (PTC) que comprende un espejo que tiene una forma parabólica en 2D de conformidad como se describió anteriormente, y en donde la etapa b) se lleva a cabo mediante la provisión de una lente Fresnel de conformidad como se describió anteriormente.

Finalmente deberá entenderse que el concentrador de seguimiento solar lineal a puntual y método de la presente invención, no está limitado exclusivamente a las modalidades descritas e ilustradas anteriormente y que las personas que tienen habilidades ordinarias en el arte pueden, con las enseñanzas proporcionadas por la invención, efectuar modificaciones al concentrador de seguimiento solar lineal a puntual y método de la presente invención, las cuales quedarán claramente dentro del concepto inventivo y alcance de la invención que se reivindica en las siguientes reivindicaciones.

REFERENCIAS

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