MX2011011370A

MX2011011370A - Concentrador de luz sin formacion de imagen.

Info

Publication number: MX2011011370A
Application number: MX2011011370A
Authority: MX
Inventors: David Argentar
Original assignee: Sun Edge LLC
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2012-01-20
Also published as: US20160043259A1; EP2425458A4; US20100269886A1; KR20120027269A; WO2010129220A3; TW201110386A; IL215907A0; IL215907A; WO2010129220A2; EP2425458A2

Abstract

Un aparato incluye un concentrador de luz, el cual durante operación dirige luz desde una abertura de entrada y una abertura de salida, y un dispositivo fotovoltaico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz. El concentrador de luz incluye un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida conectando las paredes laterales, cada pared lateral estando formada de un material teniendo un primer índice de refracción, n1, la pared de salida incluye un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida, el primer elemento estando formado de un material que tiene un segundo índice de refracción n2, y el cuerpo hueco contiene un líquido que tiene un índice de refracción, n3, en donde n3 < n1 y n3 < n2.

Description

CONCENTRADOR DE LUZ SIN FORMACIÓN DE IMAGEN Referencia Cruzada con Solicitudes Relacionadas De conformidad con 35 U.S.C. ?? 19(e), esta solicitud reclama la prioridad de la Solicitud Provisional No. 61/214,646, titulada "Liquid Filled Non-lmaging Optical Concentrator" (Concentrador Optico sin Formación de Imágenes lleno de Liquido), presentada el 27 de abril de 2009, cuyo contenido se incorpora aquí en su totalidad como referencia.

Campo de la Invención La invención se relaciona con un concentrador óptico sin formación de imágenes y sistemas que utilizan al concentrador óptico sin formación de imágenes.

Antecedentes de la Invención Los paneles solares se pueden utilizar para convertir la luz solar en electricidad cuando se usa el efecto fotovoltáico. Los paneles solares pueden suministrar una proporción sustancial de los requerimientos de electricidad de una típica casa. Con frecuencia están montados en el techo de la casa o en el suelo y se conectan con el servicio de electricidad local, ya sea para suministrar toda la energía directamente a la casa o bombear el exceso de regreso al servicio. Además de reducir la factura del servicio de electricidad para la casa, los propietarios pueden vender cualquier electricidad en exceso de regreso directamente al servicio. Los paneles solares con frecuencia también se utilizan para aplicaciones comerciales, que van desde plantas de región a gran escala hasta negocios familiares.

Los concentradores ópticos sin formación de imágenes (también llamados como "colectores" y los términos se pueden utilizar en forma intercambiable), también se pueden utilizar para mejorar la eficiencia de los paneles solares al concentrar la luz solar sobre el panel.

Breve Descripción de la Invención Los concentradores de luz pueden estar compuestos de dos o más materiales dieléctricos utilizados para dirigir la luz a un elemento absorbente, tal como una celda fotovoltáica. El uso de materiales dieléctricos permite el uso del reflejo interno total en ciertos lugares, evitando la necesidad de espejos de metal. En algunas modalidades, los colectores se caracterizan por uno o más materiales dieléctricos que forman una cubierta delgada alrededor de una capa dieléctrica líquida (por ejemplo, agua).

En modalidades en donde los concentradores están compuestos de porciones sólidas que tienen múltiples índices de refracción diferentes, se pueden utilizar diferentes materiales que tienen interfaces ópticas, opuesto a materiales que tienen un índice de refracción variable (por ejemplo, los materiales de Indice Graduado). En algunas modalidades, las porciones que tienen diferentes índices de refracción se utilizan principalmente cerca de la salida del concentrador (es decir, cerca del elemento absorbente).

Las porciones que tienen diferentes índices de refracción pueden estar arregladas para que el índice de refracción se vuelva más grande conforme la luz se acerca a la salida. Se cree que al incrementar el índice de refracción del colector conforme la luz se acerca más a la salida permite que el colector actúe, en términos de su relación máxima de producto de concentración teóricamente permisible y ángulo de aceptación de luz, como si estuviera formado por completo de un material con el más alto índice de refracción en la salida.

En general, en un aspecto, la invención se caracteriza por un aparato que incluye un concentrador de luz que durante la operación, dirige la luz desde la abertura de entrada y una abertura de salida y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz, en donde el concentrador de luz incluye un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales, cada pared lateral está formada de un material que tiene un primer índice de refracción, n,, la pared de salida incluye un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice de refracción, n2, y el cuerpo hueco contiene un líquido que tiene un índice de refracción n3, en donde n3 < n, y n3 < n2.

Las modalidades del aparato pueden incluir una o más de las siguientes características. Por ejemplo, las paredes laterales se pueden extender a lo largo de una primera dirección, y se pueden arreglar en forma simétrica con respecto a un plano de referencia que se extiende a lo largo de la primera dirección, cada pared tiene una superficie interna y una superficie externa, en donde la superficie interna de las paredes se confrontan entre si, en donde para una sección transversal perpendicular a un plano de referencia, por lo menos una porción de las superficies externas tienen una forma curva. La forma curva puede ser una forma parabólica. En algunas modalidades, la superficie externa completa tiene una forma parabólica. El concentrador de luz puede incluir una pared de entrada que conecta las paredes laterales opuestas a la pared de salida, en donde la superficie de la pared de entrada corresponde a la abertura de entrada, la superficie correspondiente a la abertura de entrada es una superficie plana.

La forma curva puede ser una forma hiperbólica. Por ejemplo, la superficie externa completa puede tener una forma hiperbólica. El concentrador de luz puede incluir una pared de entrada que conecta las paredes laterales opuestas a la pared de salida, en donde una superficie de la pared de entrada corresponde a la abertura de entrada, la superficie correspondiente a la abertura de entrada es una superficie convexa.

Por lo menos una porción de las superficies internas puede tener una forma curva. Por ejemplo, la superficie interna completa puede tener una forma parabólica o hiperbólica.

En algunas modalidades, las superficies interna y externa tienen la misma forma. En forma alternativa, las superficies interna y externa pueden tener diferentes formas.

Las diferentes porciones de las superficies externas pueden tener diferentes formas. En algunas modalidades, por lo menos una porción de las superficies externa tiene una forma lineal.

El concentrador de luz puede incluir una pared de entrada que conecta las paredes laterales opuestas a la pared de salida, en donde la superficie de la pared de entrada corresponde a la abertura de entrada. La superficie correspondiente a la abertura de entrada puede ser una superficie plana o una superficie convexa.

La pared de salida puede incluir un segundo elemento colocado entre el primer elemento y el liquido, el segundo elemento está formado de un material que tiene un índice de refracción n4, en donde n3<n <n2. En algunas modalidades, la pared de salida incluye un tercer elemento colocado entre el segundo elemento y el líquido, el tercer elemento está formado de un interior que tiene un índice de refracción n5, en donde n3<n5<n4<n2.

El primer elemento se puede formar de un vidrio inorgánico o un polímero, tal como policarbonato. n2 puede ser de 1.5 o más.

El líquido puede ser agua o una solución acuosa En algunas modalidades, el líquido es glicerina.

En ciertas modalidades, n 3< 1.41 , tal como 1.4 o menos, 1.35 o menos.

El primer elemento puede tener una superficie no plana opuesta a la superficie de salida. Por ejemplo, la superficie no plana puede ser una superficie convexa. En algunas modalidades, la superficie no plana está compuesta de uno o más segmentos planos.

La superficie interna de las paredes laterales puede ser continuamente curva con una superficie del primer elemento.

Las paredes laterales y el primer elemento se pueden formar del mismo material. En algunas modalidades, las paredes laterales y el primer elemento están formados de una sola pieza de material.

En ciertas modalidades n1 = n2.

El concentrador de luz puede ser un colector todo dieléctrico.

El concentrador de luz puede contener componentes no metálicos.

En general, en otro aspecto, la invención se caracteriza por un aparato que incluye un concentrador de luz que durante la operación dirige la luz desde la abertura de entrada y una abertura de salida, y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz. El concentrador de luz incluye un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales, la pared de salida incluye un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida y una superficie de entrada opuesta a la superficie de salida, la superficie de entrada es una superficie no plana, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice de refracción, n-,, y el cuerpo hueco contiene un líquido que tiene un índice n2 de refracción, en donde n2<ni.

Las modalidades del aparato pueden incluir una o más de las características antes mencionadas.

En general, en otro aspecto, la invención se caracteriza por un aparato que incluye un concentrador de luz que durante la operación dirige la luz desde la abertura de entrada y una abertura de salida y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz. El concentrador de luz incluye un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales, en donde las paredes laterales se extienden a lo largo de una primera dirección, las paredes laterales están arregladas en forma simétrica con respecto a un plano de referencia que se extiende a lo largo de la primera dirección, cada pared lateral tiene una superficie interna y una superficie externa, en donde las superficies internas de las paredes laterales se confrontan entre sí, en donde para una sección transversal perpendicular al plano de referencia, la forma de la superficie externa es diferente de la forma de la superficie interna, la pared de salida comprende un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice de refracción, y el cuerpo hueco contiene un líquido que tiene un índice n2 de refracción, en donde n2<n1.

En general, en otro aspecto, la invención se caracteriza por un aparato que incluye un concentrador de luz que durante la operación dirige la luz desde una abertura de entrada y una abertura de salida y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz. El concentrador de luz incluye un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales, en donde las paredes laterales se extienden a lo largo de una primera dirección, las paredes laterales están arregladas en forma simétrica con respecto a un plano de referencia que se extiende a lo largo de la primera dirección, cada pared lateral tiene una superficie interna y una superficie externa, en donde las superficies internas de las paredes laterales se confrontan entre sí, en donde, para una sección transversal perpendicular al plano de referencia, la forma de la superficie externa incluye una porción curva y una porción lineal, la pared de salida incluye un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice de refracción, r\ y el cuerpo hueco contiene un líquido que tiene un índice de refracción, n2, en donde n2<n1.

Las modalidades de los concentradores de luz pueden incluir una o más de las siguientes ventajas. En algunas modalidades, los concentradores tienen mayores ángulos de aceptación que los concentradores de luz convencionales (por ejemplo, los concentradores formadores de imagen). Por ejemplo, incluyendo una serie de elementos de refracción a un lado del colector más cerca del elemento absorbente puede proporcionar un mayor ángulo de colección comparado con un colector similar que se caracteriza por un solo elemento de refracción, en particular, en donde los elementos de refracción tienen índices de refracción que incrementan en forma monolítica, con el elemento de índice de refracción más alto está adyacente al elemento absorbente.

Los colectores de luz pueden utilizar líquidos no costosos, seguros (por ejemplo, agua) como su medio de masa. Por ejemplo, el colector de luz puede definir un cuerpo hueco que se puede llenar con agua, en donde el agua sirve como un medio de refracción inicial para la luz recolectada.

Los colectores de luz pueden utilizar materiales no costosos para otros componentes. Por ejemplo, en ciertas modalidades, los colectores se pueden caracterizar por un cuerpo hueco formado de materiales dieléctricos sólidos, tal como polímeros transparentes y/o vidrios inorgánicos. Se puede utilizar un material sólido relativamente pequeño. Por ejemplo, el volumen de un colector puede estar compuesto de un líquido (por ejemplo, agua). Los colectores de luz pueden no contar con ningún componente de metal.

Los módulos que utilizan colectores de luz pueden proporcionar energía solar durante un año (o casi un año) sin el uso de sistemas de rastreo solar. Por ejemplo, los colectores de luz pueden tener ángulos de colección suficientemente grandes que cuando se montan en paneles solares, pueden proporcionar electricidad un año entero a partir de las posiciones estacionales en las latitudes sub-tropícales y templadas.

Los detalles de una o más modalidades de la invención se establecen en los dibujos acompañantes y en la siguiente descripción. Otras características, objetivos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción y de los dibujos, y a partir de las reivindicaciones.

Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es una vista en perspectiva de una modalidad del sistema colector solar.

La Figura 1B es una vista en sección transversal del sistema colector solar, mostrado en la Figura 1A.

La Figura 1C es una vista en sección transversal de una porción del sistema colector solar, mostrado en la Figura 1A.

La Figura 2A es una vista en sección transversal de otra modalidad de un sistema colector solar.

La Figura 2B es una vista en sección transversal de una porción del sistema colector solar, mostrado en la Figura 2A.

La Figura 3A es una vista en sección transversal de otra modalidad del sistema colector solar.

La Figura 3B es una vista en sección transversal de una porción del sistema colector solar, mostrado en la Figura 3A.

La Figura 4 es una vista en sección transversal de una modalidad de un colector.

La Figura 5 es una vista en sección transversal de una porción del colector.

La Figura 6 es una vista en perspectiva de una modalidad del panel solar que incluye colectores.

La Figura 7 es una vista esquemática de una modalidad del sistema de panel solar.

Los mismos números de referencia en las diferentes Figuras indican elementos iguales.

Descripción Detallada de la Invención Con referencia a la Figura 1A; el sistema 100 colector solar incluye un colector 110 y un elemento 150 absorbente, tal como una celda solar. El colector 110 opera para concentrar la radiación solar incidente sobre un amplio rango de ángulos sobre el elemento 150 absorbente.

El colector 110 tiene un cuerpo 130 hueco compuesto de dos paredes 120 y 122 laterales curvas, que se extienden a lo largo de un eje (el eje y del sistema de coordenadas Cartesiano, mostrado). Las paredes 120 y 122 laterales son simétricas con respecto a un plano 101 de referencia, paralelo al plano y-z. El colector 110 incluye una pared 138 de salida extendida entre un borde de las paredes 120 y 122 laterales que forman una pared para el cuerpo 120 hueco en un extremo. La pared 138 de salida corresponde con una abertura de salida para el colector 110. En el colector 110, la pared 138 de salida está compuesta de dos elementos de refracción, etiquetados 140 y 142, respectivamente. El elemento 150 absorbente está acoplado con el colector 110 en una superficie 115 de salida de la pared 138 de salida. El colector 110 también incluye una pared 128 de entrada en el lado opuesto del colector 110 desde la pared 138 de salida. La pared 128 de entrada corresponde con una abertura de entrada para el colector 110.

También con referencia a la Figura 1B, cada una de las paredes 120 y 122 laterales tiene una superficie interna (1202 y 1222, respectivamente) y una superficie (1201 y 1221, respectivamente). En algunas modalidades, como para las modalidades mostradas en la Figura 1A y 1B, la forma de las superficies interna y externa para las paredes laterales es la misma, de modo que las paredes 120 y 122 laterales tienen un espesor constante. Las formas de la superficie de pared lateral se seleccionan para proporcionar efectos concentradores de luz al dirigir la luz que entra en el colector 110 hacia el elemento 150 absorbente. Aquí, la forma de la superficie de pared lateral se refiere a la curvatura de las superficies de pared lateral en el plano x-y. En ciertas modalidades, las superficies de pared lateral tienen una forma parabólica, como se muestra en la Figura 1 B.

Las paredes 120 y 122 laterales están formadas de un material que tiene un primer índice de refracción, N1. En general, como se utiliza aquí, el término "índice de refracción" se refiere al índice de refracción del material en la porción del espectro electromagnético, en donde el colector opera (por ejemplo, en un rango que tiene un alcance en el espectro visible, tal como cerca del ultravioleta (UV) a cerca de la región infrarroja (IR)). En donde se comparan los índices de refracción de diferentes medios, se deben comparar para tener la misma longitud de onda. Los materiales ejemplificativos para las paredes 120 y 122 laterales se describen después. En general, N > 1. Por ejemplo, N1 puede ser de 1.4 o más (por ejemplo, 1.5 o más, 1.6 o más, 1.7 o más, 1.8 o más, 1.9 o más, 2.0 o más).

El cuerpo hueco se llena con un fluido (por ejemplo, un líquido, tal como agua) que tiene un índice N2>1. En general, N1 es diferente de N2. Por ejemplo, en ciertas modalidades, N1>N2. En algunas modalidades, N2 es 1.6 o menos (por ejemplo, 1.55 o menos, 1.5 o menos, 1.45 o menos, 1.41 o menos, 1.4 o menos, 1.35 o menos).

La pared 128 de entrada tiene una superficie 1282 interna, la cual se confronta con el cuerpo 120 hueco y una superficie 1281 externa opuesta a la superficie 1282 interna. La pared de entrada 128 es un elemento plano, con superficies 1282 y 1281 interna y externa que son superficies paralelas, planas (planas al plano x-z).

Los elementos 140 y 142 de refracción también son elementos planos, que tienen superficies planas paralelas. Específicamente, el elemento 140 de refracción tiene una superficie 1401 interna y una superficie 1402 externa. El elemento 142 de refracción tiene una superficie 1421 interna que forma una interfaz con la superficie 1402 externa del elemento 140 de refracción. La superficie externa del elemento 142 de refracción es la superficie 115 de salida del colector 110.

La pared 128 de entrada y las paredes 140 y 142 de salida están formadas de materiales que son esencialmente transparentes a las longitudes de onda de interés (por ejemplo, de 300 nm a 1,100 nm). El elemento 140 de refracción está formado de un material que tiene un índice N4 de refracción. En algunas modalidades, N4>N2. El elemento 142 de refracción está formado de un material que tiene un índice N5 de refracción diferente de N4 (por ejemplo, mayor que N4). En ciertas modalidades, N5>N4>N2.

El colector 110 actúa para concentrar la luz en el elemento 150 absorbente como sigue: Para la luz incidente en la pared 128 de entrada sobre un rango de ángulos, la luz se transmite sobre el cuerpo 130 que refracta en la superficie 1281 externa y otra vez en la superficie 1282 interna. Evidentemente, la luz normalmente incidente en la superficie 1281 no se refracta, pero la luz incidente a los ángulos no normales se refractará hacia el plano 101 debido a la pared 128 de entrada que tiene un índice de refracción mayor que el de su ambiente, típicamente, el aire. La línea L muestra un rayo de luz entrante ejemplificativo. El rayo L se propaga a través del medio que llena el cuerpo 120 y es incidente en la superficie 1202 interna de la pared 120 lateral. Aquí, una porción de la luz se transmite sobre la pared 120 lateral, mientras una porción de la misma se refleja de regreso dentro del cuerpo 120. La porción transmitida es incidente en la superficie 1201, en donde se refleja y por lo menos parte de ella es transmitida de regreso al cuerpo 120, en donde se propaga paralela a la luz inícialmente reflejada en la superficie 1202. Esta trayectoria de la luz inícialmente reflejada en la superficie 1202, está señalada como L1, mientras la trayectoria de la luz reflejada en la superficie 1201 está señalada como L2. En general, ya que N1 típicamente es mayor que el índice de refracción de la atmósfera, la reflexión interna total puede ocurrir en la superficie 1201 y nada de luz que se propaga a lo largo del trayecto L sale del colector 110 a través de la pared 120 lateral. Específicamente, la reflexión interna total ocurrirá en donde la luz es incidente en la superficie 1201 en un ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico. En algunas modalidades, en donde el índice de refracción del fluido, N2, es mayor que el índice N1 de refracción de la pared 120 lateral, la reflexión interna total de luz puede ocurrir en la superficie 1202 interna y toda la luz incidente en esa superficie a lo largo de la trayectoria L se refleja a lo largo de la trayectoria L1.

Con referencia también a la Figura 1C, la luz que se propaga a lo largo de tanto L1 como L2 se refracta en la superficie 1401 de la placa 140 de refracción. Ya que N4 es mayor que N2, esta luz se refracta hacia el plano 101. La luz otra vez, se refracta en la interfaz entre la superficie 1402 y la superficie 1421 del elemento 142 de refracción. Cuando N5 es mayor que N4, la luz otra vez, se refracta hacia el plano 101, conforme entra en el elemento 142 de refracción. La luz sale del elemento 142 de refracción a través de la superficie 115 de salida y choca en el elemento 150 absorbente.

Naturalmente, por lo menos cierta luz que es incidente en la pared 128 de entrada se propagará a través del cuerpo 130 sin reflejarse en ninguna pared lateral. Por ejemplo, la luz normalmente incidente en la pared 128 de entrada en el plano 101, no chocará en ninguna pared lateral. Además, cierta luz incidente en la pared 128 de entrada a muy altos ángulos de incidencia no se recolectará sobre el elemento 150 absorbente. Por ejemplo, la luz incidente a muy altos ángulos (por ejemplo, 60° o más) se reflejará mucho desde la superficie 1281 o para esa luz transmitida sobre el cuerpo 130, chocará en una pared lateral en un ángulo casi normal de incidencia y será transmitida a través de la pared lateral. De conformidad con esto, existe un rango de ángulos incidentes para los cuales la luz incidente será recolectada sobre el elemento 150 absorbente. En general, este rango depende tanto de la geometría de los diferentes elementos que forman al colector 110 como de sus índices de refracción. El rango de ángulos se puede parametrizar por un ángulo 6max de aceptación, el cual corresponde con el ángulo más alto del rayo de incidencia que se concentra sobre el elemento absorbente incidente en un borde de la abertura de aceptación. En algunas modalidades, el ángulo de aceptación puede ser de 15° o más (por ejemplo, 16° o más, 17° o mas, 18° o más, 19° o mas, 20° o más, 21° o mas, 22° o mas, 23.5° o mas, 25° o más, 28° o mas, tal como hasta 35°, hasta 30°).

En general, el tamaño físico del colector 110 puede variar, dependiendo del tamaño del elemento 150 absorbente que el colector necesita para concentrar luz. En ciertas implementaciones, un tamaño relativamente pequeño es conveniente. Por ejemplo, en casos en donde el colector es parte del sistema de panel solar para la instalación en un techo, un diseño relativamente pequeño es deseable para evitar el peso asociado con los grandes colectores.

En algunas modalidades, el colector 110 tiene una altura de aproximadamente 10 cm o menos, (por ejemplo, aproximadamente 9 cm o menos, aproximadamente 7 cm o menos, aproximadamente 6 cm o menos, aproximadamente 5 cm o menos, aproximadamente 4 cm o menos). Aquí, la altura se refiere a la dimensión del colector a lo largo del eje y.

En general, las paredes 120 y 122 laterales, la pared 128 de entrada y la pared de extremo formadas de los elementos 140 y 142 de refracción deben ser suficientemente espesas para proporcionar la resistencia mecánica requerida para alojar el fluido en el cuerpo 130 hueco. Puede ser ventajoso que estos elementos sean relativamente delgados, sin embargo, para reducir costos de materiales y el peso del colector (especialmente antes de llenar el colector con fluido). En algunas modalidades, las paredes 120 y 122 laterales pueden tener un espesor dentro del intervalo de 0.5 mm a aproximadamente 5 mm (por ejemplo, aproximadamente 1 mm, aproximadamente 1.5 mm, aproximadamente 2 mm, aproximadamente 2.5 mm, aproximadamente 3 mm).

El espesor de la pared 128 de entrada puede variar según sea deseado. En algunas modalidades, la pared de entrada puede tener un espesor de aproximadamente 5 mm o menos (por ejemplo, 3 mm o menos, 2 mm o menos, 1 mm o menos, 0.5 mm o menos). Ya que la pared 128 de entrada típicamente no soporta carga, puede ser delgada con relación a por ejemplo, las paredes 120, 122 laterales y con la pared 138 de salida.

La pared 138 de salida debe ser suficientemente espesa para proporcionar suficiente soporte estructural para los otros componentes del colector 110. En algunas modalidades, la pared 138 de salida tiene un espesor de aproximadamente 5 mm o más (por ejemplo, aproximadamente 6 mm o más, 7 mm o más, 8 mm o más, 10 mm o más, 12 mm o más, 15 mm o más, 20 mm o mas).

El espesor relativo de los elementos de refracción que componen la pared 138 de salida puede también variar. En algunas modalidades, los elementos 140 y 142 de refracción pueden tener un espesor igual. En forma alternativa, el espesor relativo de los elementos 140 y 142 de refracción pueden diferir. Por ejemplo, el espesor del elemento 140 puede ser 50% o más (por ejemplo, 75% o más, 125% o más, 150% o más, 200% o más) que el espesor del elemento 142. En algunas modalidades, el elemento 140 y/o el elemento 142 tienen un espesor de 1 mm o más (por ejemplo, 2 mm o más, 3 mm o más, 4 mm o más, 5 mm o más, 6 mm o más, 7 mm o más, 8 mm o más, 9 mm o más, 10 mm o más, 11 mm o más, 12 mm o más, 13 mm o más, 14 mm o más, 15 mm o más). EL espesor de cada elemento puede seleccionarse para incrementar la eficiencia de colección del colector 110.

En general, el espesor de los elementos de refracción depende del ángulo de aceptación deseado del concentrador y de los índices de refracción del líquido y de los elementos de refracción. Los factores económicos también se pueden considerar cuando se establece el espesor y el índice de refracción de cada elemento de refracción. Por ejemplo, en general, los materiales con mayor índice de refracción son más costosos que los materiales con menor índice de refracción, especialmente para los materiales que tienen índices de refracción mayor que aproximadamente 1.55-1.6. De conformidad con esto, en ciertas modalidades, el elemento de refracción más lejano del elemento absorbente es el elemento refractor más espeso y tiene un menor índice de refracción de todos los elementos de refracción. Los elementos de referencia pueden ser más delgados en forma progresiva entre más cercanos estén al elemento absorbente.

El ancho del colector 110 también puede variar. Aquí, el ancho se refiere a la dimensión del colector en la dirección x. En general, el colector tiene un ancho máximo en la pared 128 de entrada, correspondiente a la abertura de entrada. Típicamente, el ancho máximo es menos que la altura del colector. En algunas modalidades, el colector 110 tiene un ancho de 8 cm o menos (por ejemplo, 6 cm o menos, 5 cm o menos, 4 cm o menos, 4 cm o menos).

En general, el colector 110 se estrecha desde la pared 128 de entrada hasta la superficie 115 de salida. La relación de los anchos en la pared 128 de entrada para la superficie 115 de salida define la energía de colección del colector. Por ejemplo, una modalidad que tiene un ancho en la pared 128 de entrada que es cinco veces el ancho en la superficie 115 de salida, tiene una fuerza de colección de 5 (se refiere como un colector 5X). En general, la fuerza de colección del colector 110 puede variar. En algunas modalidades, el colector 110 tiene una fuerza de colección dentro del intervalo de 3X a aproximadamente 10X (por ejemplo, aproximadamente 4X o más, aproximadamente 5X o más, aproximadamente 6X o más, aproximadamente 7X o más, aproximadamente 8X o más).

Típicamente, el elemento 150 absorbente es un dispositivo fotovoltáico, tal como una celda solar con base de silicio (por ejemplo, Si mono- o poli-cristalino, Si amorfo, Si en película delgada). Los fotovoltáicos con base en otros semiconductores también se pueden utilizar (por ejemplo, (di)selenuro de cobre indio-galio (CIGS)). Para ciertas aplicaciones, el absorbente es una celda fotovoltáico de múltiples uniones. En algunas modalidades, el elemento 150 absorbente puede ser un dispositivo fotovoltáico orgánico, tal como celdas solares con base en semiconductores pequeños orgánicos de polímero o de moléculas. En forma alternativa o adicional, el elemento absorbente puede ser absorbentes de transferencia de calor. En algunas modalidades, el colector en sí puede servir como un absorbente de transferencia de calor al proporcionar agua templada que se usa en el colector a través del circuito de enfriamiento.

Mientras el colector 110 se caracteriza por paredes laterales que tienen un espesor constante superficies parabólicas, también son posibles otras formas de paredes laterales. En general, la forma de las paredes laterales se selecciona para proporcionar un alta eficiencia de colección de costos del material relativamente bajos), pero proporciona suficiente resistencia mecánica para soportar el peso del fluido en el cuerpo hueco y las tensiones ambientales que son probables de encontrar en el campo (por ejemplo, variaciones de temperatura, viento y lluvia). La forma de la superficie de la pared lateral se puede determinar, por ejemplo, con el uso un software de modelado de computadora para modelar y optimizar el funcionamiento de las formas propuestas.

En general, la forma de cada una las superficies de la pared lateral interna y externa son de varios parámetros libres que se pueden variar en forma simultánea para optimizar el funcionamiento del colector. Otros parámetros libres incluyen el índice de refracción para cada porción del colector, la forma de la superficie de entrada y las formas de las superficies de los elementos de refracción.

En ciertas implementaciones, se puede seleccionar ya sea la superficie externa de la pared de entrada o la forma de la superficie externa de pared lateral primero, después seleccionar la otra del par y por último, seleccionar las formas del perfil interno de la pared lateral y/o los refractores de salida para optimizar al concentrador para su eficiencia, compactación u otros propósitos deseados.

En algunas modalidades, la superficie externa de la pared de entrada se puede seleccionar para ser plana y la superficie externa de las paredes laterales puede ser parabólica, tal como la mostrada en la Figura 1. En ciertas modalidades, la superficie externa de la pared de entrada puede ser convexa (por ejemplo, circular, tal como esférica o cilindrica) y la superficie externa de las paredes laterales puede ser hiperbólica (consultar Figura 4, infra). En cualquier caso, las desviaciones locales de la forma de la pared lateral general se pueden permitir al variar la geometría de los refractores de salida y/o la forma de la superficie interna de la pared lateral. Típicamente, esto se debe determinar en forma numérica, ya que existen soluciones analíticas solamente para algunos casos (con frecuencia triviales).

En algunas modalidades, los colectores se pueden caracterizarse por superficies de pared lateral compuestas de segmentos con diferentes formas. En algunas modalidades, un segmento de una superficie de pared lateral puede tener una primera forma parabólica, mientras otro segmento de la misma superficie tiene una forma parabólica diferente, o una forma no parabólica (por ejemplo, forma lineal, otra forma del orden de polinomio, o una forma hiperbólica). En algunas modalidades, las paredes laterales pueden estar compuestas de superficies que tienen más de dos segmentos (por ejemplo, tres o más segmentos, cuatro o más segmentos, cinco o más segmentos).

En ciertas modalidades, las superficies interna y externa de pared lateral pueden tener diferentes formas. Por ejemplo, las superficies interna y externa de pared lateral pueden tener formas parabólicas. En ciertas modalidades, por lo menos un segmento de la superficie de pared lateral interna puede ser parabólico, mientras el segmento adyacente de la superficie externa tiene forma no parabólica (por ejemplo, forma lineal, otra forma del orden de polinomio, o una forma hiperbólica). En forma alternativa, en algunas modalidades, por lo menos un segmento de la superficie de pared lateral externa puede ser parabólica, mientras la superficie interna es una forma no parabólica (por ejemplo, forma lineal, otra forma del orden de polinomio o una forma hiperbólica).

Además, las paredes 120 y 122 laterales pueden tener un espesor constante, en algunas modalidades, los colectores pueden caracterizarse por paredes laterales que tienen un espesor variable. Por ejemplo, un colector puede tener paredes laterales que tienen un espesor que incrementa desde su pared de entrada hasta su pared de salida. Tales paredes laterales pueden proporcionar ventajas estructurales, lo que permite paredes laterales relativamente delgadas más cerca de la pared de entrada, soportadas por paredes laterales más espesas más cerca de la pared de salida. Las paredes laterales de espesores variables también pueden proporcionar una eficiencia de colección mejorada con relación a los colectores similares que tienen paredes laterales de un espesor constante.

Como se mencionó previamente, la forma de los elementos de refracción se puede tratar como un parámetro libre cuando se optimiza la forma de los componentes del colector. De modo que mientras los elementos 140 y 142 de refracción en el colector 110 son de forma plana, que tienen superficies planas paralelas, en algunas modalidades, las paredes 140 y/o 142 de extremo pueden incluir una o más superficies no planas. Por ejemplo, con referencia a las Figuras 2A y 2B, el colector 210 incluye elementos 240 y 242 de refracción que tienen superficies curvas. Específicamente, el elemento 240 de refracción incluye una superficie 2401 interna convexa y una superficie 2402 externa cóncava. La superficie 2421 interna del elemento 242 de refracción tiene forma convexa, lo que se conforma con la superficie 2402 externa. La superficie 115 de salida es plana.

En algunas modalidades, los colectores incluyen un elemento de refracción que tiene una superficie plana a lo largo de la pieza. Por ejemplo, con referencia a las Figuras 3A y 3B, el colector 310 incluye un elemento 340 de refracción que tiene una superficie 3401 interna compuesta de varias porciones planas. Estas porciones están arregladas de manera que la superficie 3401 es generalmente plana, pero tiene un lomo centrado alrededor del plano 101 de referencia. Como se muestra, el lomo adopta la forma de un trapezoide, es decir, que tiene una porción central plana y dos lados planos inclinados. Los rayos de luz que pasan a través de los lados inclinados se reflejan a un ángulo diferente que los rayos de luz que pasan a través de las porciones planas esencialmente horizontales del elemento de refracción. Tal elemento de refracción puede tener una superficie superior plana a lo largo de la pieza, el cual emplea un lomo con forma trapezoidal. Otras superficies planas a lo largo de la pieza también son posibles.

Esta forma de las superficies 3401 y 3421 pueden servir para incrementar el ángulo de colección efectivo del concentrador. Por ejemplo, en función, estos elementos de refracción convexos llevan a cabo una función análoga a los lentes cilindricos, que enfocan la luz incidente hacia el elemento 150 absorbente.

En general, el ancho de cada porción y de su orientación angular con respecto al eje y puede variar según sea necesario. Como se explica después, cada uno de estos valores de parámetro pueden ser determinados a través de un modelado de computadora para proporcionar una mayor eficiencia de concentración para el colector.

Aunque el colector 110 tiene dos elementos (140, y 142) de refracción, más en general, los colectores pueden incluir paredes de salida que tienen un solo elemento de refracción o más que dos elementos de refracción, cada uno con un índice de refracción diferente de los elementos de refracción adyacentes. Por ejemplo, las paredes de salida pueden incluir tres o más elementos de refracción (por ejemplo, cuatro o más, cinco o más, seis o más, siete o más, ocho o más elementos de refracción). En algunas modalidades, los colectores pueden incluir tres o más elementos de refracción adyacentes que tienen índices de refracción en incremento, el elemento de refracción con el índice de refracción más alto está colocado adyacente al elemento 150 absorbente.

Además, aunque la pared 128 de entrada es plana en los colectores 110, 210 y 310 que tiene una superficie 1281 de entrada plana y la superficie 1282 de salida, en general, la pared 120 de entrada puede tener superficies curvas, también. Por ejemplo, con referencia a la Figura 4, el colector 410 tiene una pared 428 de entrada que tiene una superficie 4281 de entrada convexa esférica y una superficie 4282 de salida cóncava, paralela a la superficie 4281. Aunque la superficie 4281 de entrada es esférica, en general, la curvatura de la superficie de entrada puede ser esférica o no esférica. Esta curvatura puede incrementar el ángulo de colección para el colector 410 con relación a los colectores similares que tienen una superficie de entrada plana debido a por ejemplo, un efecto de enfoque de la pared de entrada.

El colector 410 incluye paredes 420 y 422 laterales ambas con superficies externas hiperbólicas. La selección de la forma exacta se describe más adelante. El colector 410 también incluye una pared 440 de salida formada de un solo elemento de refracción. La pared de salida incluye una superficie 424 de entrada que incluye un lomo 441 central. La pared 440 de salida también se caracteriza por superficies 4401 y 4402 laterales curvas. Las superficies 4401 y 4402 pueden tener la misma forma que la superficie externa de las superficies externas de las paredes laterales, o puede tener diferentes curvaturas. Por ejemplo, la forma de las superficies 4401 y 4402 puede mejorarse en forma independiente de la forma de las paredes laterales con el fin de también mejorar la eficiencia del colector 410.

Aunque la superficie 4282 es paralela a la superficie 4281, en algunas modalidades, esta superficies puede tener otras curvaturas (por ejemplo, plana, convexa o cóncava). Por ejemplo, la pared de entrada puede tener un lente doble convexo o un lente convexo-cóncavo (por ejemplo, con curvaturas desiguales). En ciertas modalidades, la pared de entrada puede ser un lente Fresnel (por ejemplo, un lente Fresnel de un lado o de dos lados).

En ciertas modalidades, las superficies internas de las paredes laterales son curvas continuamente con la superficie de entrada de la pared de salida. Por ejemplo, aun con referencia a la Figura 4, la superficie 424 de la pared de salida es una superficie que se encorva continuamente desde la superficie interna de la pared 422 lateral hasta la pared 440 de salida hasta la pared 420 lateral. La superficie 424 incluye un lomo 441 en el centro de la pared 440 de salida. El lomo 441 tiene una porción central plana, pero se encorva suavemente hacia la superficie interna de las paredes de salida.

En tal colector, las paredes laterales y la pared de salida pueden estar formadas de una sola pieza de material continua.

En general, se puede utilizar una variedad de materiales para los diferentes componentes del colector 110. Típicamente, las paredes 120, 122, 128 y 138 laterales están hechas de un material transparente apropiado, tal como un material polimérico transparente o un vidrio inorgánico. Los materiales de construcción deben ser seleccionados para ser compatibles con el elemento absorbente específico que recibe la luz concentrada. Opcionalmente, las paredes del cuerpo hueco deben tener un índice de refracción relativamente alto, ser transparente en la parte deseada del espectro (tal como el visible y cerca de la parte infrarroja del espectro) y debe ser durable. Por ejemplo, estos componentes pueden estar hechos de policarbonato ("PC") (por ejemplo, PC estabilizado con UV), aunque se pueden utilizar otros materiales poliméricos transparentes, tal como poli-metalicrilato de metilo ("PMMA") (por ejemplo, PM A estabilizado de UV). También se pueden utilizar materiales comercialmente disponibles. Por ejemplo, el UV estabilizado y el PC no estabilizado también están disponibles a la venta.

En algunas modalidades, uno o más de los componentes pueden estar hechos de un vidrio inorgánico. Varios tipos de vidrio, tal como el vidrio corona que tiene un índice típico de ¾1.52 o un cristal acromático con un índice de refracción que varía entre 1.45 y 2.00 se puede utilizar.

Por ejemplo, en algunas modalidades, la pared 138 de salida puede estar compuesta de elementos de refracción formados de diferentes vidrios. Como un ejemplo, el vidrio corona (por ejemplo, un índice de refracción de 1.52) se puede utilizar para el elemento 140 de refracción, mientras el vidrio acromático (por ejemplo, Designado SK) (por ejemplo, con un índice de refracción de 1.746) se utiliza para el elemento 142 de refracción.

Así como el material específico nombrado "vidrio corona" producido de silicatos de cal-álcali (RCH) que contiene aproximadamente 10% de óxido de potasio, puede haber otros vidrios ópticos con propiedades similares que también son llamados vidrios corona. En general, un "vidrio corona" se refiere a cualquier vidrio con números Abbe dentro del intervalo de 50 a 85. Por ejemplo, el vidrio de borosilicato como Schott BK7 es un vidrio corona común, utilizado en los lentes de precisión. Los borosilicatos típicamente contienen aproximadamente 10% de óxido bórico, tienen buenas características ópticas y mecánicas, y son resistentes al daño químico y ambiental. Otros aditivos utilizados en los vidrios corona incluyen óxido de zinc, pentacloruro de fósforo, óxido de bario y fluorita.

Los vidrios acromáticos típicamente tienen índices de refracción que varia entre 1.45 y 2.00. El vidrio acromático específico (designado SK) antes descrito tiene una composición de 62% de PbO, 335 de Si02, 5% de K20.

Los elementos de refracción pueden también formarse de materiales tales como Titania (T¡02). En algunas modalidades, se puede utilizar la titania tiene una morfología de cristal llamado Brookite, que tiene un índice de refracción de 2.58. Por ejemplo, en modalidades que se caracterizan por tres o más elementos de refracción, el elemento de refracción más cercano al elemento 150 absorbente puede formarse de Titania.

En ciertas modalidades, la pared de entrada está formada de un material que tiene una baja transmisión en el UV (por ejemplo, un material opaco UV). Por ejemplo, muchos vidrios comúnmente utilizados para la luz visible son opacos UV. También se pueden utilizar polímeros opacos UV o estabilizados. En tales casos, el resto del cuerpo colector puede no necesitar estar hecho de materiales estables UV. Por ejemplo, cuando la absorbente o reflejo de la luz UV por la pared de entrada reduce mucho la exposición UV de otros componentes del colector, los requerimientos para la estabilidad UV de estos componentes se puede relajar.

El cuerpo completo del colector se puede formar como una sola unidad o el colector puede estar compuesto de componentes individuales unidos juntos, tal como con un adhesivo.

El cuerpo 120 hueco lleno de fluido puede ser cualquier líquido compatible con otros materiales utilizados para formar el concentrador. Las soluciones de agua o acuosas tal como aquellas que contienen sal común o líquidos orgánicos solubles en agua, también son considerados apropiados. La glicerina, que tiene un índice de 1.47 también se puede utilizar. Como un ejemplo específico, en algunas modalidades, el colector incluye paredes laterales y una pared de salida compuesta de PC (que tiene un índice de refracción 1.586), mientras el cuerpo hueco se llena con agua (con un índice de refracción de 1.32). Esta combinación de materiales permite un concentrador con un ángulo de aceptación de 18.5° y una energía de concentración de 5X a un costo relativamente bajo.

Aunque la descripción anterior se refiere a colectores con forma de artesa que tienen una sección transversal uniforme a lo largo del eje de referencia, son posibles otras configuraciones. Por ejemplo, los colectores que no tienen una sección transversal uniforme también se pueden utilizar. Por ejemplo, los colectores pueden tener una forma de elipse o circular en el plano x-z.

En general, los colectores pueden estar diseñados en una variedad de formas. En algunas modalidades, los colectores pueden estar diseñados con base en los principios de diseño de Concentradores Parabólicos Compuestos (CPC) como se establece en la Patente de Estados Unidos de Norteamérica No. 4,240,692 de Winston (de aquí en adelante, la patente '692), cuyo contenido se incorpora aquí como referencia en su totalidad. En la Ecuación (7) de la patente '692, un ángulo 6max, de aceptación, para un CPC formado de un solo medio óptico se define como: sin 0max>n1(1-2/n2) en donde n es el índice de refracción relativo del colector, a saber la relación del índice de refracción al CPC al índice de refracción del medio ambiente (por ejemplo, aire). Esta ecuación será referida en la descripción como sigue.

Para facilitar la explicación, los concentradores descritos a continuación se supone que están orientados con la entrada hacia arriba y la salida hacia abajo. Los índices de refracción de los materiales que llenarán el concentrador simplemente serán referidos como NdBajo> NdMetjio y NdAito, correspondiente a un material de índice de refracción relativamente bajo (por ejemplo, N2, el índice de refracción del fluido de llenado) un material de índice de refracción intermedio (por ejemplo, Ni del índice de refracción de la pared lateral) y un material de índice de refracción relativamente alto (por ejemplo, N o N5, un índice de refracción del elemento de refracción).

En algunas modalidades, un colector de dos capas se puede diseñar como sigue. Aquí, la primera capa se puede considerar como la porción del colector correspondiente al cuerpo hueco lleno de fluido, mientras la segunda capa corresponde a un elemento de refracción en la pared de salida, por ejemplo. Se empieza al seleccionar un perfil del colector parabólico con un ángulo de aceptación que es permitido por la ecuación para 0max anterior cuando se considera que n = NdAit0. Por cálculo o simulación, es fácil encontrar un punto en la pared lateral en donde la curvatura de la pared lateral es demasiado aguda para permitir un material Ndsajo para actuar como un CPC (es decir, en ese punto, la curvatura del lado es demasiada para reflejar los rayos que entran en el ángulo de aceptación hasta el enfoque opuesto por la reflexión total interna (TIR), y de modo que los rayos se escapan del concentrador en ese punto). Este punto establece el corte entre el cuerpo hueco y el elemento de refracción de la pared de salida. Por debajo de ese punto, el colector se llena con un material NdAlt0 (es decir, corresponde al elemento de refracción), sobre ese punto, el material NdBajo será suficiente (es decir, el cuerpo hueco lleno de fluido).

En algunas modalidades, este principio de diseño se puede extender para incluir un concentrador de dos capas con superficies de pared lateral que son parte lineales en forma. Específicamente, con referencia a la Figura 5, un diseño de dos capas se puede mejorar al mantener el perfil parabólico por debajo del límite 510 NdBajo/NdAito, (por ejemplo, correspondiente al límite entre el cuerpo hueco lleno de fluido y la pared de salida), y calcular un nuevo perfil, que incluye una sección 520 lineal sobre el mismo. La sección 520 lineal se extiende entre un punto 521 en la ubicación en donde el límite 520 se encuentra con la pared lateral y un punto 522 que se establece como sigue. Primero, se determina el ángulo de incidencia del rayo 530 de luz reflejado en el punto 521 en la superficie de salida. Esto está señalado como R en la Figura 5. Después, se rastrea un rayo 532 desde el punto en donde la pared lateral opuesta se encuentra con la superficie de salida a un ángulo R. El punto 522 es el punto en donde el rayo 532 se encuentra con la primera pared lateral. La orientación de la sección 520 lineal se establece del ángulo S, el ángulo de la tangente de la pared lateral en el punto 521.

En algunas modalidades, se pueden añadir secciones lineales adicionales como sigue. Los rayos adicionales se extienden y refractan del foco opuesto, lo que permite que el ángulo del rayo varíe entre -R (que es, paralelo a R, pero en la dirección opuesta) y paralelo a un eje 501 (que se encuentra en el plano simétrico del colector). Para cada uno de estos rayos, que empiezan desde -R, el perfil de pared se extiende en pequeños segmentos lineales, los segmentos están en ángulos para reflejar el rayo del ángulo de aceptación. Cuando el ángulo de pared es paralelo al eje del concentrador, se detiene la adición de los segmentos.

En algunas modalidades, la eficiencia se puede incrementar más al elevar el límite NdBajo-NdAito, hacia la pared de entrada, mantiene el perfil parabólico por debajo del límite. Por ejemplo, la pared lateral se puede extender por una sección lineal cuando el límite está por debajo de 522 encontrado para esta nueva altura del límite. Sobre la sección lineal (o en el limite cuando no se necesita la sección lineal) la pared lateral puede extenderse por un método de pequeño segmento reflejante, descrito antes.

La altura a la cual se eleva el límite puede depender, por ejemplo, de la comparación entre el valor de la eficiencia adicional ganada en el costo adicional de los materiales, ya que usualmente, los materiales con Nd más alto son más caros que los que tienen Nd más bajo. Se pueden añadir elementos de refracción adicionales, con el uso de por ejemplo, la siguiente metodología. En principio, un colector que tiene dos elementos de refracción pueden ser considerados como un colector de tres capas, que tiene capas discontinuas con diferentes índices de referencia separados por dos límites de refracción. En modalidades, el límite parabólico puede quedar retenido por debajo del primer límite. Los ángulos S y R se calculan como se describe antes. Se debe notar que S es el ángulo más pronunciado posible para la pared lateral del material con NdBajo para reflejar la luz por la reflexión-interna-total a un ángulo de aceptación determinado. Los ángulos S' y R' análogos también se calculan, en donde S' es en ángulo de pared lateral para un material NdMedio (por ejemplo, el elemento de refracción superior) y R' es el ángulo de la luz reflejada desde el mismo, cuando se refracta en NdAito- Una sección lineal se puede añadir en la pared lateral, sin embargo, los resultados empíricos pueden sugerir que es mejor utilizar una variación en el método de segmento pequeño reflejante para extender la • pared lateral. Sin embargo, el ángulo del rayo empieza en el foco opuesto, pero en el punto en donde el rayo desde el punto de límite interseca a la salida. Además, el ángulo del rayo varía de -R' a -R.

Sobre esta sección curva, la sección lineal se puede extender a un ángulo R, sus puntos de extremo se determinan al empezar un rayo desde el foco opuesto, se refracta a través de los materiales intermedios, y encuentran su intersección con la sección lineal. Por último, una sección curva se puede extender desde la sección lineal, con el uso del método descrito para el colector de dos capas, con la anterior de la refracción provocada por Nd ed¡o- Los límites entre las tres capas se pueden ajustar con el uso del mismo principio antes descrito para el sistema de dos capas. Aquí, una pared lateral adicional se puede generar como se explica antes para el sistema de dos capas. Además, los límites se pueden elevar en forma independiente entre sí, siempre que el límite NdMedio - NdBajo se mantenga sobre el límite NdAit0- NdMed¡o- En general, las ubicaciones específicas de los límites puede depender de la eficiencia contra los intercambios antes descritos con respecto al sistema de dos capas.

Como ejemplo, en algunas modalidades, el concentrador hiperbólico, tal como el colector 410 mostrado en la Figura 4, se puede diseñar como sigue. Tales modalidades se caracterizan por un perfil de pared lateral externo hiperbólico, y un perfil de pared lateral interno que es paralelo a la pared lateral externa, pero en cierto punto se voltea desde la pared lateral para formar la superficie interna de la pared de salida. Esto se puede diseñar como sigue.

Primero, los materiales que forman el concentrador se seleccionan: la superficie de entrada, las paredes laterales, la pared de salida (para cada elemento de refracción) y el líquido.

Después, se seleccionan los parámetros del diseño deseado. Para un concentrador generalmente hiperbólico, estos son el ángulo de aceptación, relación de concentración (es decir, la relación de la dimensión de la abertura de entrada para la dimensión de la abertura de salida), y la curvatura de la pared de entrada. El ancho de las paredes laterales también se selecciona.

A partir de los parámetros del diseño, se calcula el punto de enfoque de luz enfocado por la pared de entrada y los ángulos de los rayos que van desde el lente de entrada, con el uso de por ejemplo, el método descrito por Xiachui Ning et.al., en "Dielectric Totally Internal Reflecting Concentrators" (Concentradores que Reflejan en forma Interna, totalmente Dieléctricos), Applied Optics, Vol. 26, NO. 2, enero 15 de 1987. Para simplificar, se puede utilizar' los primeros ángulos del cuadrante y un concentrador orientado en forma vertical. Así, el concentrador está orientado con la superficie de entrada hacia arriba, pared de salida hacia abajo, los rayos de luz externo entran justo por arriba a la derecha. Ya que la luz entra desde la derecha, se diseña la pared lateral izquierda de concentrador y la mitad izquierda de la superficie de entrada de la pared de salida y después se determina la pared lateral derecha/mitad derecha de la pared de salida por simetría. Los extremos de la pared de entrada se colocan en coordenadas Cartesianas (+/- relación de concentración, 0). El concentrador tendrá coordenadas y negativas y los extremos de la salida serán x 0 +/- 1. Se calcula la coordenada y mínima (altura) del concentrador al determinar en donde el rayo de extremo de lente positivo cruza la línea x =-1.

Después, se calcula la ecuación hiperbólica para la superficie de pared lateral externa. Esto se realiza en forma numérica al iterar a través de los puntos (x, y) de modo que los valores y son menores que o iguales que la altura mínima y se determina una x que es menor o igual que -1, la cual produce una hipérbola que también pasa a través del extremo negativo de la pared de entrada y que tiene una cara del enfoque del lente y la salida del concentrador positivo (1, y).

El perfil de la pared lateral externa puede ahora ser generado desde cada extremo de lente negativo hasta el punto en donde los rayos pasan a través del lente de entrada dentro del líquido y a través de la pared lateral escapará la reflexión interna total. La pared lateral interna se calcula con el uso de su ancho hasta abajo al punto en el mismo rayo entre el extremo de la pared lateral externa calculada y el enfoque del lente.

En este punto, la superficie de pared lateral interna debe encorvarse lejos de la superficie de pared lateral externa para refractar la luz para mantenerla dentro del concentrador por la reflexión interna total en la pared lateral externa. Además, en este punto, se debe hacer notar que la pared lateral externa, si se continúa, generalmente no pasará a través de la salida negativa del concentrador deseada, sino que pasa por el exterior de la misma (es decir, en las posiciones x < -1). De este modo, no solamente la superficie de pared lateral interna se debe voltear hacia adentro (es decir, hacia el eje del concentrador), la superficie externa (es decir, la superficie externa de la pared de salida) también lo debe hacer.

Sin desear estar vinculado a la teoría, la pared lateral hiperbólica con paredes "suficientemente delgadas" deberán refractar la luz a la salida positiva del concentrador, pero solamente en donde las caras de la pared lateral externa son paralelas. Cuando son divergentes, existe la posibilidad de que el rayo reflejado por la cara externa de la pared lateral no alcance la salida, sino que en su lugar, salga del concentrador por la pared lateral opuesta (derecha) sobre la salida.

Para determinar el límite de esta "fuga de luz" se pueden considerar otras dos características de la superficie de entrada de la pared de salida. Por ejemplo, suponiendo que la superficie del elemento de salida sin considerar su forma específica, se puede diferenciar continuamente y es cóncava hacia arriba. La primera característica es el punto en la superficie de entrada de la pared de salida que es tangente al rayo desde la salida positiva del concentrador (que también es un foco de la hipérbola que genera el perfil de la pared lateral externa). Los rayos que pasan a través de la pared lateral interna y se reflejan desde la otra pared lateral sobre este punto (el "punto tangente") intersecará con la superficie del elemento de salida y se refractará o reflejará en un punto en la salida.

La segunda característica es el punto ("el punto ortogonal") en el cual el foco del lente es ortogonal a la superficie del elemento de salida. Los rayos en el punto ortogonal y por debajo se deben refractar los suficiente por la superficie de entrada de la pared de salida paral que cuando se reflejan desde la pared lateral externa hiperbólica, alcancen la salida.

De este punto, la extensión de la "fuga de luz" se determina por la diferencia en las proyecciones de los dos rayos en la pared lateral externa hiperbólica; una es la proyección del rayo desde a través del punto tangente y la otra es la proyección del rayo desde el foco del lente hasta el punto ortogonal. Entre estos dos puntos proyectados, la luz que lleva al concentrador a ángulos cercanos al ángulo de aceptación del diseño del concentrador se debe "fugar" desde el concentrador (es decir, no pasa a través de la abertura de salida). Debido a que el ángulo de llegada de la luz cae desde el ángulo de aceptación, el tamaño de la fuga debe disminuir y eventualmente desaparecer.

Existen varias formas para reducir al mínimo la fuga de luz. Por ejemplo, una forma es tratar el material de la pared lateral como si tuviera un índice de refracción más bajo que lo que en realidad es, y calcular, simplemente, el ángulo de la superficie de pared de salida para refractar los rayos de luz que pasan a través del mismo, de modo que la pared lateral tendrá la capacidad de reflejarlos internamente totalmente, debido a su índice de refracción más bajo efectivo. Para evitar una cúspide en donde la pared lateral interna se voltea lejos de ser paralela a la pared lateral externa, la disminución del índice de refracción se puede realizar suavemente. Este método para encontrar la superficie de elemento de salida es "el método de Índice de refracción bajo efectivo". Los valores apropiados del índice de refracción bajo y el factor para disminuir suavemente el tamaño de la fuga de luz se puede determinar fácilmente en forma empírica.

Para el colector 410 mostrado en la Figura 4, diseñado de esta forma, la fuga de luz puede afectar aproximadamente 5.5% de la pared lateral en su máximo límite, lo que produce un concentrador 94.5% ideal. Otras mejoras en la eficiencia también son posibles, por ejemplo, con el uso de una superficie externa de pared de entrada no esférica.

La superficie de entrada de pared de salida y las superficies externas se pueden extender en forma iterativa para alcanzar el punto ortogonal y su proyección, según sea deseado.

A partir del punto de proyección ortogonal en la superficie de pared lateral externa, la superficie externa ahora se desviará hacia adentro para que alcance la salida negativa del concentrador. Existen varias formas para hacer esto. Por ejemplo, se puede notar que mientras el rayo de luz pasa a través del punto ortogonal y su punto de proyección se refleja por la pared lateral hasta el punto de salida del concentrador positivo, cuando ambas superficies fueran extendidas con el uso de los métodos existentes, esto es, extender la superficie externa en la hipérbola existente y continuar la superficie del elemento de salida por el método de índice de refracción bajo efectivo, los rayos que entran en el concentrador en su ángulo de aceptación de modo que pasan a la derecha/por debajo de los puntos, se refractarán por la superficie del elemento de salida y se reflejará por la pared lateral pasará a través de la salida con menores coordenadas x. Es decir, la curvatura de la superficie externa se puede ajustar para hacer los pasar a través del punto de salida del concentrador positivo, y entonces hará que la superficie externa pase más cerca del punto de salida del concentrador negativo.

En algunas modalidades, simplemente al aprovechar el método de índice de refracción efectivo bajo y al desviar la superficie externa hacia adentro para que sea efectivo, el ángulo de reflexión interna total crítico más alto se hacer con los rayos de luz refractados por la superficie de pared de salida, lo cual proporciona suficiente deflexión para provocar que pase muy cerca del punto de salida del concentrador negativo. Cuando no es así, el disminuir lentamente el índice de refracción efectivo y al re-calcular la forma de la superficie de entrada de la pared de salida y la forma de la superficie externa puede encontrar rápidamente un valor aceptable. Al hacer esto, este perfil de la superficie externa se completa. La superficie de entrada de pared de salida se puede extender hasta un punto en donde el rayo que pasa a través del mismo en la esquina positiva del lente en el ángulo de aceptación se refracta hasta el final del perfil de la pared lateral en el punto de salida del concentrador negativo.

Aunque todas las modalidades anteriores son simétricas alrededor de un plano (por ejemplo, que tienen un ángulo de aceptación que es simétrico con respecto a un eje del concentrador), también son posibles otras configuraciones. Por ejemplo, en algunas modalidades, los colectores que tienen un ángulo de aceptación asimétrico se pueden utilizar. Por ejemplo, la asimetría se puede introducir dentro de la pared de entrada, en las paredes laterales y/o en los elementos de refracción, lo cual resulta en un cambio en el ángulo de aceptación desde un lado del colector al otro.

Tales colectores pueden ser útiles para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, la mayoría de los edificios comerciales que tienen techos planos, pero para la aceptación de luz solar todo el año, se deben señalar los concentradores en el techo el mismo ángulo anual del promedio solar. Esto con frecuencia significa montar los concentradores 1 (por ejemplo, que tienen un ángulo de aceptación simétrico) en una estructura inclinada. Sin embargo, en algunas modalidades, se puede utilizar un colector que tiene un ángulo de aceptación asimétrico y montarlos en forma vertical.

Los sistemas colectores solares, tal como los antes descritos, se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones y típicamente se agrupan juntos para proporcionar la colección de luz para un arreglo de elementos absorbentes arreglados en un panel. Con referencia a la Figura 6, por ejemplo, múltiples sistemas colectores solares se pueden arreglar en un módulo 600 de panel solar. Aquí, el módulo 600 incluye un alojamiento 610 en donde múltiples colectores 630 están arreglados juntos. Cada colector 630 enfoca la radiación incidente sobre un elemento 640 absorbente correspondiente (por ejemplo, un elemento fotovoltáíco correspondiente). El módulo 600 incluye una cubierta 620 transparente, la cual proporciona las paredes de entrada para cada uno de los colectores.

En algunas modalidades, los sistemas colectores solares incluyen un circuito de enfriamiento para manejar la temperatura del sistema. Tales modalidades pueden incluir una bomba conectada con el circuito, junto con un dispositivo para rechazar el calor (por ejemplo, un radiador o un intercambiador de calor). En ciertas modalidades, el aparato de manejo de calor se puede utilizar para proporcionar el agua caliente para la casa. Por ejemplo, el aparato puede incluir un intercambiador de calor que proporciona el agua caliente. En algunas modalidades, el líquido (por ejemplo, agua) utilizada en el colector puede servir como un enfriador para el sistema. De conformidad con esto, el circuito de enfriamiento puede incluir suministros dentro y fuera de los cuerpos huecos de los colectores. Se debe notar que como enfriador, el agua puede proporcionar ciertas ventajas. Por ejemplo, es prácticamente opaca en el IR por debajo (y en realidad, un poco sobre) el ancho de banda para las celdas solares de Si, lo que significa que el calor incidente termina en el agua, mejor que en las celdas solares. En segundo lugar, tiene un calor específico relativamente alto, de modo que se pueden utilizar volúmenes relativamente pequeños para almacenar o rechazar mucho calor.

Los módulos que incluyen sistemas colectores solares, tal como los antes descritos, se pueden desplegar en una variedad de diferentes situaciones. Por ejemplo, los módulos se pueden motar en residencias (por ejemplo, familiares o multi-familiares), edificios comerciales (por ejemplo, centros comerciales o edificios de oficinas) o edificios industriales (por ejemplo, fábricas). Por lo general, los módulos se utilizan para suministrar la electricidad al edificio en el cual están montados. Por ejemplo, con referencia a la Figura 7, un sistema 700 de módulo solar está compuesto de múltiples módulos 710 montados en el edificio 730, conectados a través del regulador 720 para el servicio del edificio. En algunas modalidades, los módulos también se pueden utilizar para suministrar energía a la rejilla 701 de servicio además de al edificio 730. Por ejemplo, en tiempos cuando al demanda del edificio 730 es relativamente baja, el regulador 720 puede dirigir la electricidad en exceso a la rejilla 701. En forma contraria, cuando la demanda del edificio 730 excede la capacidad de generación del sistema 700, se puede suministrar electricidad adicional desde la rejilla 701.

Los colectores que tienen ángulos altos de aceptación, tales como los antes descritos, se pueden utilizar en módulos sin sistemas de rastreo para proporcionar electricidad todo el año (o casi todo el año, tal como por 9-10 meses al año), por ejemplo, incluso cuando se instalan en climas tropicales o templados.

Otras modalidades están dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aparato caracterizado porque comprende: un concentrador de luz que durante la operación dirige la luz desde la abertura de entrada y una abertura de salida; y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz; en donde el concentrador de luz comprende un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales; cada pared lateral está formada de un material que tiene un primer índice de refracción; n,; la pared de salida comprende un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice n2 de refracción; y un cuerpo hueco que contiene un líquido que tiene un índice n3 de refracción, en donde n3<n! y n3<n2.

2. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las paredes laterales se extienden a lo largo de una primera dirección y están arregladas en forma simétrica con respecto a un plano de referencia que se extiende a lo largo de una primera dirección, cada pared tiene una superficie interna y una superficie externa, en donde las superficies internas de las paredes están confrontadas entre sí, en donde para una sección transversal perpendicular al plano de referencia, por lo menos una porción de las superficies externa tienen una forma curva.

3. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la forma curva es una forma parabólica.

4. El aparato de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la superficie externa completa tiene una forma parabólica.

5. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el concentrador de luz también comprende una pared de entrada que conecta las paredes laterales opuestas a la pared de salida, en donde una superficie de la pared de entrada corresponde a la abertura de entrada, la superficie correspondiente a la abertura de entrada es una superficie plana.

6. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la forma curva es una forma hiperbólica.

7. El aparato de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la superficie externa completa tiene una forma hiperbólica.

8. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador de luz también comprende una pared de entrada que conecta las paredes laterales opuestas a la pared de salida, en donde la superficie de la pared de entrada corresponde con la abertura de entrada, la superficie correspondiente a la abertura de entrada es una superficie convexa.

9. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque por lo menos una porción de las superficies internas tienen forma curva.

10. El aparato de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la superficie interna completa tiene una forma parabólica o hiperbólica.

11. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque las superficies interna y externa tienen la misma forma.

12. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque las superficies interna y externa tienen diferentes formas.

13. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque las diferentes porciones de las superficies externas tienen diferentes formas.

14. El aparato de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque por lo menos una porción de las superficies externas tienen una forma lineal.

15. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador de luz también comprende una pared de entrada que conecta las paredes laterales opuestas a la pared de salida, en donde una superficie de la pared de entrada corresponde a la abertura de entrada.

16. El aparato de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la superficie correspondiente a la abertura de entrada es una superficie plana.

17. El aparato de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la superficie correspondiente a la abertura de entrada es una superficie convexa.

18. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pared de salida también comprende un segundo elemento colocado entre el primer elemento y el líquido, el segundo elemento se forma de un material que tiene un índice n4 de refracción, en donde n3<n4<n2.

19. El aparato de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la pared de salida comprende un tercer elemento colocado entre el segundo elemento y el líquido, el tercer elemento se forma de un material que tiene un índice n5 de refracción, en donde n3<n5<n4<n2.

20. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer elemento se forma de un vidrio inorgánico.

21. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer elemento se forma de un polímero.

22. El aparato de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el polímero es policarbonato.

23. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque n2 es 1.5 o más.

24. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido es agua o una solución acuosa.

25. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido es glicerina.

26. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque n3<1.41.

27. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque n3 es 1.4 o menos.

28. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque n3 es 1.35 o menos.

29. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer elemento tiene una superficie no plana opuesta a la superficie de salida.

30. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie no plana es una superficie convexa.

31. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie no plana está compuesta de uno o más segmentos planos.

32. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie interna de las paredes laterales son continuamente curvas con una superficie del primer elemento.

33. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las paredes laterales y el primer elemento se forman del mismo material.

34. El aparato de conformidad con la reivindicación 33, caracterizado porque las paredes laterales y el primer elemento se forman de una sola pieza de material.

35. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque ?? = n2.

36. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador de luz es un concentrador de luz todo dieléctrico.

37. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador de luz es un concentrador de luz que no contiene componentes de metal.

38. Un aparato caracterizado porque comprende: un concentrador de luz que durante la operación dirige la luz desde la abertura de entrada y una abertura de salida, y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz; en donde el concentrador de luz comprende un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales; la pared de salida comprende un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida y una superficie de entrada opuesta a la superficie de salida, la superficie de entrada es una superficie no plana, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice n, de refracción; y un cuerpo hueco que contiene un líquido que tiene un índice n2 de refracción, en donde n2<n1.

39. Un aparato caracterizado porque comprende: un concentrador de luz que durante la operación dirige la luz desde una abertura de entrada y una abertura de salida; y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz; en donde el concentrador de luz comprende un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales; en donde las paredes laterales se extienden a lo largo de una primera dirección, las paredes laterales están arregladas en forma simétrica con respecto a un plano de referencia que se extiende a lo largo de la primera dirección, cada pared lateral tiene una superficie interna y una superficie externa, en donde las superficies internas de las paredes se confrontan entre sí, para una sección transversal perpendicular hasta el plano de referencia, una forma de la superficie externa es diferente de la forma de la superficie interna; la pared de salida comprende un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice n-? de refracción; y un cuerpo hueco contiene un líquido que tiene un índice n2 de refracción, en donde n2<ni.

40. Un aparato caracterizado porque comprende: un concentrador de luz que durante la operación dirige la luz desde una abertura de entrada y una abertura de salida; y un dispositivo fotovoltáico colocado con relación a la abertura de salida para recibir la luz; en donde el concentrador de luz comprende un cuerpo hueco formado de un par de paredes laterales separadas y una pared de salida que conecta las paredes laterales; en donde las paredes laterales se extienden a lo largo de una primera dirección, las paredes laterales están arregladas en forma simétrica con relación a un plano de referencia que se extiende a lo largo de la primera dirección, cada pared lateral tiene una superficie interna y una superficie externa, en donde las superficies internas de las paredes laterales se confrontan entre sí, para una sección transversal perpendicular al plano de referencia, la forma de la superficie externa incluye una porción curva y una porción lineal; la pared de salida comprende un primer elemento que tiene una superficie de salida colocada en la abertura de salida, el primer elemento está formado de un material que tiene un segundo índice n-? de refracción; y el cuerpo hueco contiene un líquido que tiene un índice n2 de refracción, en donde n2<n1.