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Title:
PHOTOVOLTAIC SOLAR CONCENTRATION SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/101516
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a photovoltaic solar concentration system comprising a Fresnel concentrator lens (1) with a constant facet thickness in a first region, specifically the central region of the lens (1), and a constant facet height in a second region, specifically the peripheral region of the lens (1), in order to maximise the optical efficiency of the lens (1), maintaining control over the typical aberrations of the system. The photovoltaic solar concentration system also comprises a secondary optical element (2) having a circular inlet face (3) with a convex curvature, a section for receiving a rim (4), and a pyramidal section (6), the cross-section changing shape from a circle into a square in the lower end (7) where the photovoltaic receiver is received. Said system improves the optical and thermodynamic efficiency of existing systems, facilitates production and installation in the photovoltaic module, and reduces the production-related costs.

Inventors:
CAPARROS JIMENEZ, Sebastian (Avda. de la Buhaira 2, Sevilla, Sevilla, E-41018, ES)
ROWLEY DAVENPORT, Thomas Lewis (5726 E. Rosewood St, Tucson AZTucson, Arizona, 85711, US)
Application Number:
ES2011/070065
Publication Date:
August 25, 2011
Filing Date:
February 02, 2011
Export Citation:
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Assignee:
ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A. (Avda. de la Buhaira, 2Sevilla, Sevilla, E-41018, ES)
CAPARROS JIMENEZ, Sebastian (Avda. de la Buhaira 2, Sevilla, Sevilla, E-41018, ES)
ROWLEY DAVENPORT, Thomas Lewis (5726 E. Rosewood St, Tucson AZTucson, Arizona, 85711, US)
International Classes:
G02B19/00; H01L31/052
Domestic Patent References:
2006-06-22
2006-11-02
2009-05-07
2009-07-09
2008-11-06
Foreign References:
US20090314347A12009-12-24
US20050092360A12005-05-05
US20050051205A12005-03-10
DE19600813A11996-07-18
US20080087323A12008-04-17
US4114592A1978-09-19
US20090106648A12009-04-23
Attorney, Agent or Firm:
CARVAJAL Y URQUIJO, Isabel et al. (Modet & CO.C/Goya no. 11, Madrid, E-28001, ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Sistema de concentración solar fotovoltaica que comprende

una lente concentradora Fresnel (1),

' 5 - un elemento óptico secundario (2), y

un receptor fotovoltaico,

dicho sistema de concentración solar fotovoltaica caracterizado porque la lente concentradora Fresnel (1) es una lente híbrida que comprende

al menos una primera zona con un grosor constante de la faceta, y 10 - aí menos una segunda zona con una altura constante de la faceta.

2. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación 1, caracterizado porque ia primera zona con grosor constante de la faceta es la zona central de la lente concentradora Fresnel (1).

15 ·

3. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera zona de la lente concentradora Fresnel (1) con el grosor constante de la faceta tiene un grosor menor o igual que 1 mm.

20

4. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación 1 , caracterizado porque la zona con altura constante de la faceta es la zona periférica de la lente concentradora Fresnel (1 ).

25 5. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la lente concentradora Fresnel (1) en la zona central de grosor constante aumenta la altura de faceta hasta un punto máximo de altura a medida que aumenta el número de facetas de dicha lente concentradora Fresnel (1 ).

30

6. Sistema de concentración solar fotovoltaica, que comprende

una lente concentradora Fresnel (1 ),

un elemento óptico secundario (2), y

un receptor fotovoltaico

35 caracterizado porque el elemento óptico secundario (2) comprende a su vez una cara de entrada (3) curva convexa,

y porque dicho elemento óptico secundario (2) tiene una . sección tronco- piramidal (6).

7. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación 6, caracterizado porque el elemento óptico secundario (2) comprende un reborde (4) dispuesto alrededor de la cara de entrada (3), 8. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación anterior, caracterizado porque el reborde (4) tiene una geometría seleccionada entre cuadrada y circular. ·

9. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizado porque el reborde (4) del elemento óptico secundario (2) es ópticamente inactivo.

10. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizado porque el reborde (4) del elemento óptico secundario (2) es ópticamente activo. 1. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque el reborde (4) es integral con el elemento óptico secundario (2).

12 Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque el reborde (4) es independiente del elemento óptico secundario (2). 13. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, caracterizado porque ^

el elemento óptico secundario (2), a continuación de la cara de entrada (3) comprende una sección transversal circular (5), y porque dicha sección transversal circular (5) se transforma progresivamente en sección transversal cuadrada hasta alcanzar el extremo inferior (7) de la sección tronco-piramidal (6) del elemento óptico secundario (2). 14 Sistema de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el uso de, la etendue en dicho sistema de concentración solar fotovoltaica está comprendido entre 45% y 95%.

15. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación anterior, caracterizado porque

la lente concentradora Fresnel (1 ) tiene

una distancia focal de dicha lente (1 ) al elemento óptico secundario (2) f, y

una diagonal de la cara de entrada de la luz en la lente (1 ) D, estando comprendida ía relación F# = f / D entre 0.9 y 1.5,

y porque el elemento óptico secundario (2) tiene un ángulo de aceptancia comprendido entre 1.20° y 1.99°.

16. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según ía reivindicación anterior, caracterizado porque comprende

una concentración geométrica de 1000X, '

una lente concentradora Fresnel (1) con una relación F# = 1.2, y

un elemento óptico secundario (2) con un ángulo de aceptancia de 1.4°. 17. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación anterior, caracterizado porque

ei grosor constante de la faceta en la zona central de la lente concentradora Fresnel (1 ) es menor o igual que 1 mm,

y porque en dicha zona central la altura de la faceta aumenta progresivamente hasta alcanzar una altura máxima de 0.4 mm, manteniéndose dicha altura máxima de 0.4 mm constante hasta la faceta del borde exterior de la lente concentradora Fresnel

(1 ).

18. Sistema de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación anterior, caracterizado porque comprende uná concentración geométrica de 700X,

una lente concentradora Fresnel (1) con una relación F# = 1.2, y un elemento óptico secundario (2) con un ángulo de aceptancia de 1.91°.

Description:
SISTEMA DE CONCENTRACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

.

La presente invención pertenece al campo técnico de los sistemas de concentración solar fotovoltaica para el aprovechamiento de la energía solar para la producción de energía eléctrica, concretamente a sistemas de concentración solar fotovoltaica de alta concentración, y más concretamente a sistemas formados principalmente por una lente concentradora Fresnel, un elemento óptico secundario, y un receptor foto voltaico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Numerosos sistemas de concentración solar fotovoltaica (CPV) han sido propuestos y desarrollados a lo largo del siglo XX hasta la actualidad. A pesar de este largo historial, estos sistemas, no son actualmente competitivos en términos de coste y eficiencia con respecto a las formas tradicionales de producción de energía.

Los documentos WO2006114457, US2009106648 y WO 2009058603 muestran " el ' típico esquema de funcionamiento de un sistema de concentración solar fotovoltaica. Dicho sistema consiste en una lente de Fresnel concentradora de luz y un elemento óptico secundario que dota al sistema de mayor concentración. Diversos sistemas que utilizan lentes de Fresnel han sido propuestos con y sin óptica secundaria.

Existen otros sistemas de concentración solar fotovoltaica basados en la tecnología Cassegrain. Dichos sistemas consisten en uri par de espejos y un elemento óptico terciario homogeneizador. Además hay otros elementos ópticos de concentración basados en espejos parabólicos. Dichos sistemas pueden estar formados por espejos o bien ser un sistema totalmente sólido basado en Reflexión Total Interna (RTI), como es mostrado en los documentos WO2009058603 y WO2009086293.

Recientemente se han reportado sistemas de concentración por guiado de luz, tal y como muestra el documento WO2008131566. Dichos sistemas se caracterizan por su mayor compacidad frente a sistemas tradicionales.

Un sistema ideal de concentración solar fotovoltaica debería reunir las siguientes características para ser competitivo: minimizar las pérdidas en los sistemas de concentración ópticos, es decir conseguir una mayor eficiencia óptica; ser soluciones efectivas en coste y fiables a largo plazo; ser compactos y conseguir una máxima eficiencia termodinámica, esto es alcanzar el máximo grado de concentración posible manteniendo tolerancias mínimas de fabricación.

Además un sistema ideal de concentración solar fotovoltaica debería maximizar el uso de la etendue. El concepto de etendue, fue descrito por Dr. Winston y Co. en Non Imaging Optics y es de suma importancia en un sistema de concentración solar fotovoltaica. Maximizar la etendue significa maximizar el ángulo de aceptancia de un sistema para un grado de concentración determinado, o bien maximizar- la concentración para un ángulo de aceptancia definido. Un módulo de máximo uso de etendue tiene potencial para concentrar de manera efectiva la radiación solar, minimizando el coste del elemento semiconductor y en consecuencia del módulo, y dotar al sistema de la tolerancia necesaria para ser montado en sistemas reales de seguimiento solar, y permitir las tolerancias de fabricación del módulo sin que ello afecte al rendimiento del mismo.

El máximo grado de concentración alcanzable para un ángulo de aceptancia viene definido por la siguiente ecuación:

„ (n 2 - seno(6>i) 2 )

C max = =—

Siendo n el índice de refracción del medio en el que está sumergido el receptor fotovoltaico, Θ1 el ángulo de entrada en la célula fotovoltaica y Θ2 el ángulo de aceptancia en el sistema.

Los sistemas dé concentración solar fotovoltaica mediante lentes de Fresnel son los más utilizados, ya que es una tecnología conocida, estándar y efectiva en costes. Sin embargo no son sistemas excesivamente compactos y no maximizan el uso de ia etendue. No obstante, se han publicado ciertos documentos con objeto de maximizar el uso de etendue utilizando sistemas de lentes con distancias focales muy elevadas y elementos secundarios con cierta curvatura a la entrada.

Los sistemas reflexivos están siendo introducidos progresivamente, en general son más compactos que los sistemas refractivos, y con el diseño adecuado maximizan el uso de etendue en comparación con lentes. No obstante- tienen menores eficiencias ópticas y mayor número de elementos.

Los sistemas por guiado de luz son, con diferencia, los más compactos. Sin embargo tienen aun que demostrar su eficiencia óptica, costes y fiabilidad a largo plazo. Era por tanto deseable un sistema que consiguiera una elevada concentración solar fótovoltaica evitando los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del estado de la técnica. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante un sistema de concentración solar fótovoltaica formado por una lente, concentradora Fresnel, un elemento óptico secundario y un receptor fotovoltaico.

Las lentes de Fresnel suelen tener dos formas de diseñarse: con grosor, de la faceta constante (equi-pitch), o con altura de la faceta constante (equi-depth). Cada una tiene sus ventajas e inconvenientes.

Todo diseño de una lente de Fresnel tiende a compensar entre sí dos factores:

En primer lugar hacer la lente lo más eficiente posible, ello se consigue maximizando la relación grosor de ia faceta con el redondeo que sufre la misma en la cresta, debido al proceso de producción del film o molde.

Segundo, controlar las aberraciones propias de las lentes, ello se consigue básicamente controlando la distancia focal a valores adecuados y haciendo que el grosor de la faceta sea lo mínimo posible.

Compensar ambos efectos es antagónico. Si se pretende maximizar el grosor frente a la cresta tenemos que recurrir a un diseño de altura constante. Un diseño de altura constante tiene las facetas centrales de la lente con un grosor demasiado elevado, haciendo que el comportamiento off-axis de la lente debido a las aberraciones no sea el deseado. Ello disminuiría el ángulo de aceptancia del sistema.

Por el contrario, un diseño de grosor constante suele realizarse con un ancho constante en todas las facetas menor de 1 mm, ello hace que el comportamiento off- axis sea relativamente mejor que el caso anterior,, no obstante la cresta redondeada ocupa un mayor espacio relativo en el total de la lente, haciéndola menos eficiente. La solución que se propone en la presente invención es una lente híbrida que tenga las ventajas de ambos tipos de diseño. La parte central de la lente será de grosor constante de 1mm o menos. Conforme se van introduciendo más facetas se llegará á ün punto de máxima altura de dicha faceta (que depende de lo que especifique cada proveedor en función de su proceso). Una vez llegamos a ese punto, el diseño pasa a ser de altura constante. Por tanto se trata de lentes híbridas, de grosor constante por el centro y de altura constante por la zona periférica. Este tipo de diseños presenta la ventaja de mejorar un par de puntos la eficiencia de la lente, presentando un aceptable comportamiento frente a ías aberraciones off-axis, aumentando por ello el ángulo de aceptancia del sistema.

Los elementos secundarios ópticos han de situarse en la posición adecuada con objeto de maximizar el uso de etendue. Dr. Winston describió diseños que permitían conseguir llegar a los límites ópticos. Dichos límites se alcanzaban con F#=3, siendo F#=f/D siendo: .

f = distancia focal dé la lente,

D = diagonal de ía cara de entrada de la luz en la lente.

Los elementos ópticos de las lentes de los sistemaste concentración objeto de la presente invención alcanzan los límites en un rango de F# bastante inferior. Un F# bajo implica sistemas más compactos y piezas de tamaño reducido, lo qué redunda en soluciones más efectivas en coste. *

La siguiente tabla muestra el incremento en uso de etendue del sistema conforme aumenta el F#.

Se observa un incremento importante en la eficiencia del sistema al variar F# desde 0.9 (mínimo práctico en sistemas reales) hasta 1.2. Desde este punto la mejora se relativiza en gran medida, presentando la curva un comportamiento asintótico. Por tanto, no es conveniente usar lentes de F# mayor que 1.5 en estos sistemas, ya que encarecería el sistema sin proporcionar mejora significativa. Se ha estimado una situación de compromiso de F# = 1.2.

Los elementos ópticos secundarios a enlazar con lentes comprendidas entre los F# especificados se caracterizan por una entrada curva convexa, una sección para acomodar el reborde y un tronco piramidal, transformándose la sección transversal de un círculo a cuadrada en donde se acomodé el receptor fotovoltaico.

La cara de entrada posee una sección de entrada circular y es convexa de forma que añade capacidad óptica al secundario, permitiendo estructuras más compactas y mejorando la eficiencia. Dicha cara es de sección circular, debido a que dicha configuración permite una mejor recolección de rayos que la superficie equivalente cuadrada, aumentando por ello la tolerancia angular del sistema completo lente^ secundario.

Posteriormente hay una región de área inactiva o activa en donde se aloja el reborde. Dicho reborde supone una ventaja en procesos de fabricación del molde y permite la sujeción mecánica del secundario en el interior del módulo. Facilita igualmente el postprocesamiento de las piezas una vez han sido moldeadas. El reborde puede ser integrado o no en el molde.

Por último se encuentra la sección tronco-piramidal que tiene una sección inicial circular acoplada al reborde, y una cuadrada de salida, necesaria para acoplar el chip. Este tipo de secundarios permiten procesos de moldeo con mínimo requerimiento de pulimentado, minimizando tiempos de operación y coste de las piezas. Además se constata la altísima eficiencia termodinámica que pueden alcanzarse con estos diseños. - Estos secundarios presentan la gran ventaja con respecto a diseños más convencionales de alcanzar grados de concentración iguales o mayores y al mismo tiempo proporcionar un buen ángulo de aceptancia que no compromete el diseño del seguidor y el proceso de montaje del propio módulo, que hace ser muy atractiva esta tecnología. -

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.

La figura 1 muestra un esquema de funcionamiento típico de un sistema de concentración solar fotovoltaica conocido en el estado de la técnica.

La figura 2 muestra el funcionamiento de otro sistema de concentración solar fotovoltaica basado en la tecnología Cassegrain, también conocido en el estado de la técnica. La figura 3 muestra elementos ópticos de concentración basados en espejos parabólicos, existentes en el estado de la técnica.

La figura 4 muestra un sistema de concentración por guiado de luz, ya existente en el estado de la técnica.

La figura 5 muestra la relación existente entre grosor y redondeo de una lente concentradora Fresne!.

La figura 6 representa la relación entre F# y etendue del sistema objeto de la presente invención.

La figura 7 muestra varias vistas de un elemento óptico secundario objeto de la presente invención.

La figura 8 muestra los parámetros de una realización preferida de la lente del sistema objeto de la presente invención.

La figura 9 muestra una realización preferida del elemento óptico secundario del sistema objeto de la presente invención.

En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:

1. - lente concentradora Fresnel

2. elemento óptico secundario

3. cara de entrada del elemento óptico secundario

4. reborde del elemento óptico secundario

5. sección transversal circular

6. sección piramidal del elemento óptico secundario

7. extremo inferior de la sección piramidal del elemento óptico secundario

DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN

A continuación se detalla una realización preferida de los parámetros de diseño que describen el diseño de la lente concentradora Fresnel 1 y el elemento óptico secundario 2.

El sistema descrito se defina por una concentración geométrica de 1000X concentrando la radiación en una célula fotovoltaica de 5.5x 5.5 mm2. Esto define una lente concentradora Fresnel 1 de 174x174 mm2. El F# de la lente 1 se ha fijado en 1.2. Dicho valor se considera una situación de compromiso entre compacidad del sistema y uso de etendue. ,

El diseño de la lente 1 se fija de la siguiente manera: La parte central de la lente es de diseño de grosor constante de 1 mm. Dicho grosor permite tener, una lente de muy buena eficiencia y buen comportamiento off axis, mejorando pues el ángulo de aceptancia del sistema.

Una vez alcanzado un máximo de 0.4 mm en Ea altura dé faceta de ja lente se mantiene dicho máximo hasta llegar a la faceta del borde exterior. La figura 8 muestra el perfil de dicha lente híbrida.

ELelemento óptico secundario 2 se ha optimizado para un ángulo de aceptancia de 1.4°. En la figura 9 se muestra el diseño del elementó óptico secundario 2, que conjuntamente con la lente concentradora Fresnel 1 es capaz de fijar el rendimiento de 1000X y 1.4° de ángulo de aceptancia.

Otra realización preferente del sistema de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención se define por una concentración geométrica de 700X con el F# de la lente 1 fijado en 1.2 y un elemento óptico secundario 2 con un ángulo de aceptancia de 1.91°.

La figura 6 muestra la relación entre F# y etendue del sistema objeto de la presente invención.

Según una realización preferente de la invención que se puede observar en las figuras, el elemento óptico secundario 2 tiene una cara de entrada 3 curva convexa, y. una sección tronco-piramidal 6 en su parte inferior. Además, el sistema comprende un reborde 4 dispuesto alrededor de la cara de entrada 3 del elemento óptico secundario 2, presentando este reborde una geometría, o bien cuadrada, o bien circular. Este reborde 4 puede ser ópticamente activo, o inactivo, y puede estar realizado en una pieza integral con el elemento óptico secundario 2, o de forma independiente a éste. Preferentemente, el elemento óptico secundario 2 tiene a continuación de la cara de entrada 3 una sección transversal circular 5, que se transforma progresivamente en sección transversal cuadrada hasta alcanzar el extremo inferior 7 de la sección tronco- piramidal 6, siendo dicho extremo inferior 7 donde se fija el receptor foto voltaico.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamenta! y la esencia de la invención.