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7/23/2019 formas alterntativas de energia.
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Diseo y caracterizacin de unconcentrador trmico
fotovoltaico cuasiestacionariopara integracin arquitectnica
Daniel Chemisana Villegas
TESIS DOCTORAL
Directores de Tesis:
Manuel Ibez Plana
Joan Ignasi Rosell Urrutia
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Diseo y caracterizacin de un
concentrador trmico fotovoltaico cuasiestacionariopara integracin arquitectnica
Daniel Chemisana Villegas
TESIS DOCTORALPresentada en el
rea de Fsica Aplicada del Departamento de MediAmbient i Cincies del Sl
Universitat de Lleida
Para la obtencin del grado deDoctor
Lleida, marzo de 2009
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Resumen
En la presente tesis se desarrolla un generador solar de concentracin, diseado
con el enfoque de la integracin arquitectnica.
Los sistemas fotovoltaicos de concentracin implican que sobre las clulas
solares se estn recibiendo unas altas densidades de flujo radiativo. Estas altas
densidades suponen un calentamiento excesivo del sistema que provoca en trminos
generales un deterioro en los materiales y una menor eficiencia de las clulas. Este
hecho hace necesario que los sistemas de concentracin requieran de un sistema de
refrigeracin de las clulas fotovoltaicas.
El sistema de refrigeracin propuesto es un sistema activo de circulacin de un
fluido trmico, que cumple una doble funcin. En primer lugar enfra el mdulo
fotovoltaico, con lo que las clulas trabajan a una mayor eficiencia. En segundo lugar,
este fluido que extrae una determinada cantidad de calor de las clulas, en torno a un65% de la radiacin que incide en el sistema, se calienta. Aprovechando este calor el
sistema es a su vez un colector trmico.
El sistema ptico diseado se fundamenta en mantener un elemento exterior
(visible) esttico, constituido por una lente de Fresnel cilndrica. Las funciones de
seguimiento las realiza un elemento ptico secundario de elevada aceptancia (CPC). De
esta forma el sistema se puede acoplar de modularmente en diferentes emplazamientos y
configuraciones de edificios, con un impacto visual similar al de un muro cortina de
vidrio con cierta translucidez.
Para el desarrollo del nuevo colector se han realizado anlisis experimentales y
de simulacin desde los aspectos trmicos y pticos, as como un tratamiento global del
sistema mediante un balance de energtico del mismo.
Palabras clave: fotovoltaica, PVT (Hbrido), concentracin solar, fachadas
fotovoltaicas, integracin arquitectnica.
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Resum
En la present tesi es desenvolupa un generador solar de concentraci, dissenyat
amb l'enfocament de la integraci arquitectnica.
Els sistemes fotovoltaics de concentraci impliquen que sobre les cllules
fotovoltaiques s'estan rebent unes altes densitats de flux radiatiu. Aquestes altes
densitats suposen un escalfament excessiu del sistema que provoca en termes generals
un deteriorament en els materials i una menor eficincia de les cllules. Aquest fet fa
necessari que els sistemes de concentraci requereixin d'un sistema de refrigeraci de
les cllules fotovoltaiques.
El sistema de refrigeraci proposat s un sistema actiu de circulaci d'un fluid
trmic, que compleix una doble funci. En primer lloc, refreda el mdul fotovoltaic,
amb el que les cllules treballen a una major eficincia. En segon lloc, aquest fluid que
extrau una determinada quantitat de calor de les cllules, entorn d'un 65% de la radiacique incideix en el sistema, s'escalfa. Aprofitant aquesta calor el sistema s al seu torn un
collector trmic.
El sistema ptic dissenyat es fonamenta a mantenir un element exterior (visible)
esttic, constitut per una lent de Fresnel cilndrica. Les funcions de seguiment solar es
realitzen per un element ptic secundari d'elevada aceptancia (CPC). D'aquesta forma el
sistema es pot acoblar modularment en diferents emplaaments i configuracions
d'edificis, amb un impacte visual similar al d'un mur cortina de vidre amb certa
translucidesa.
Per al desenvolupament del nou collector s'han realitzat anlisis experimentals i
de simulaci des de l'aspecte trmic i ptic, aix com un tractament global del sistema
amb un balan energtic del mateix.
Paraules clau: fotovoltaica, PVT (Hbrid), concentraci solar, faanes fotovoltaiques,
integraci arquitectnica.
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Abstract
In this thesis a solar concentration generator is developed and designed with the
approach of the architectural integration.
PV systems under concentration mean that photovoltaic cells are receiving high
densities of irradiative flux. These high densities imply excessive warming of the
system causing deterioration in general terms in materials and reduced efficiency of the
cells. Photovoltaic cells reduce their efficiency at high temperatures. This fact makes a
cooling system of photovoltaic cells necessary for systems working under
concentration.
The proposed cooling system is an active system using a heating fluid, which
plays a dual role. First, it cools the photovoltaic module, which works photovoltaic cells
to greater efficiency. Secondly, this fluid that removes a certain amount of heat from the
cells, around 65% of the radiation that affects the system, is warming up. Takingadvantage of this heat, the system turns into a thermal collector.
The optical system design is based on maintaining an outside (visible) static,
consisting of a cylindrical Fresnel lens. The functions of solar tracking are performing
through a secondary optical element of high acceptance (CPC). In this way the system
can be fitted in a modular fashion in different locations and configurations of buildings,
with a visual impact similar to that of a glass curtain faade with some translucency.
For the development of the new generator, experiments and simulation analysis
have been made to characterize the thermal and optical aspects, as well as an energy
balance of the complete system.
Keywords: photovoltaic, PVT (Hybrid), solar concentration, photovoltaic facades,
architectural integration.
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Rsum
Nous dveloppons dans cette thse un gnrateur solaire de concentration, conu
depuis l'approche de l'intgration architecturale.
Les systmes photovoltaques de concentration impliquent que les cellules
solaires reoivent des densits leves de flux radiatif. Ces hautes densits impliquent
un chauffage excessif du systme qui provoque une dtrioration des matriaux et rduit
l'efficacit des cellules. Ce fait rend ncessaire lapplication dun systme de
refroidissement des cellules photovoltaques.
Le systme de refroidissement propos est un systme actif de circulation d'un
fluide thermique, qui joue un double rle. Tout d'abord refroidir le module
photovoltaque, ce qui implique que les cellules travaillent un rendement plus lev.
Deuximement, ce fluide qui extrait une certaine quantit de chaleur des cellules,
environ 65% de la radiation qui affecte le systme, est chauff. Prenant avantage de larcupration de chaleur, le systme est aussi un collecteur thermique.
Le systme optique est bas sur le maintien dun lment extrieur (visible)
statique, compos d'une lentille de Fresnel cylindrique. Qui exerce les fonctions de suivi
solaire cest un deuxime lment optique de haute acceptation (CPC). De cette faon,
le systme peut tre install de faon modulaire dans diffrents endroits et
configurations des btiments, avec un impact visuel similaire celui d'un mur-rideau de
verre avec une certaine translucidit.
Pour le dveloppement du gnrateur propos, nous avons fait une tude
exprimentale et une analyse numrique des caractristiques thermiques et optiques,
ainsi qu'un bilan nergtique global du systme.
Mots cls: photovoltaque, PVT (Hybride), concentration solaire, faades
photovoltaques, intgration architecturale.
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ndice
Nomenclatura..xix
1. Introduccin...........................................................................................................1
1.1. ENERGA SOLAR ................................................................................................................ 2
1.1.1. ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA........................................................................... 4
1.1.1.1. Las clulas fotovoltaicas ...................................................................................... 5
1.1.1.2. Los mdulos fotovoltaicos.................................................................................... 8
1.1.2. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE CONCENTRACIN ............................................ 9
1.1.2.1. Concentracin con seguimiento........................................................................... 9
1.1.3. SISTEMAS HBRIDOS TRMICO-FOTOVOLTAICOS (PVT) .................................. 12
1.2. ANTECEDENTES .............................................................................................................. 12
1.2.1. DESCRIPCIN DE DIFERENTES PROGRAMAS.................................................... 12
1.2.2. ANTECEDENTES DE SISTEMAS HBRIDOS DE CONCENTRACIN................... 15
1.3. MOTIVACIN..................................................................................................................... 171.4.LIMITACIONES DE LA ENERGA SOLAR POR CONCENTRACIN............................... 21
1.5. SISTEMA DE ENFRIAMINETO DE LOS GENERADORES SOLARES FOTOVOLTAICOS
........................................................................................................................................................ 23
1.5.1 INTRODUCCIN A LA PROBLEMTICA.................................................................. 23
1.5.2 ESTADO DEL ARTE................................................................................................... 24
1.5.2.1 Tecnologas de enfriamiento para receptores lineales....................................... 25
1.6. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 271.6.1. DESCRIPCIN DE CONTENIDOS........................................................................... 27
2. Anlisis ptico del sistema................................................................................29
2.1. INTRODUCCIN ............................................................................................................... 29
2.1.1. PTICA GEOMTRICA (FORMADORA DE IMAGEN) ............................................ 29
2.1.1.1. Principio de Fermat ............................................................................................ 31
2.1.1.2. Propagacin de la luz en un medio homogneo............................................... 312.1.1.3. Leyes de la refraccin y de la reflexin ............................................................. 32
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xiv ndice
2.1.1.4. ptica paraxial ................................................................................................... 32
2.1.1.5. Lentes delgadas................................................................................................. 32
2.1.1.6. Ley de los senos ................................................................................................ 33
2.1.2. CONCENTRACIN SIN FORMACIN DE IMAGEN (ANIDLICA)......................... 34
2.1.2.1. Funciones de los concentradores anidlicos..................................................... 35
2.1.2.2. Concentrador Parablico Compuesto (CPC)..................................................... 37
2.1.3. LENTES DE FRESNEL.............................................................................................. 38
2.1.3.1 Lentes de Fresnel simples .................................................................................. 40
2.1.3.2. Lentes de Fresnel no formadoras de imagen.................................................... 40
2.1.4. OTROS CONCENTRADORES.................................................................................. 41
2.1.4.1 Concentrador tronco cnico................................................................................ 41
2.1.4.2. Concentrador dielctrico de reflexin interna total (CDRIT).............................. 42
2.2. ANLISIS CONCENTRADOR PRIMARIO ........................................................................ 43
2.2.1. ANLISIS POR PTICA PARAXIAL ........................................................................ 44
2.2.1.1. Sistema con el Sol centrado en el eje de la lente, clculo de la focal adecuada a
los requisitos del sistema ............................................................................................................... 44
2.2.1.2. Estudio del sistema con movimiento del receptor ............................................. 49
2.2.1.3. RESULTADOS................................................................................................... 51
2.2.2. SIMULACIN DEL SISTEMA POR TRAZADO DE RAYOS.................................... 59
2.2.2.1. Lente cilndrica convexa..................................................................................... 59
2.2.2.1.1. Lente de vidrio............................................................................................ 60
2.2.2.1.2. Lente de Zafiro........................................................................................... 64
2.2.2.1.3. Lente de Zirconio ....................................................................................... 66
2.2.2.2. Lente cilndrica biconvexa.................................................................................. 71
2.2.2.3. Lente de fresnel plana........................................................................................ 74
2.2.2.3.1. Crecimiento con altura de prismas constante ........................................... 762.2.2.3.2. Crecimiento con anchura de prismas constante ....................................... 79
2.2.2.4. Combinacin de lentes....................................................................................... 82
2.2.2.5. Lente de fresnel con curvatura .......................................................................... 91
2.3. CONCENTRADOR SECUNDARIO ................................................................................... 97
2.3.1. LENTE DE FRESNEL CON CURVATURA + CPC .................................................. 98
2.3.1.1 Concentrado Parablico Compuesto CPC-.................................................... 99
2.3.1.1.1. CPC con ngulo de media aceptancia () de 30 para concentracingeomtrica final de 20X.................................................................................................................. 99
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2.3.1.1.2. CPCs para concentracin geomtrica final de >20X............................. 103
2.3.2. ANLISIS DEL MOVIMIENTO ESTACIONAL Y DIARO........................................ 104
2.3.2.1. Sombreo.......................................................................................................... 104
2.3.2.2. Posicin de la mancha focal ...........................................................................105
2.3.2.3. Concentracin................................................................................................. 108
2.3.2.4 Radiacin solar incidente................................................................................. 111
3. Fase experimental ptica .................................................................................115
3.1. INTRODUCCIN .............................................................................................................115
3.1.1. MTODOS DE CARACTERIZACIN DE CONCENRADORES SOLARES .......... 115
3.2. MATERIAL UTILIZADO.................................................................................................... 1183.2.1. LENTE DE FRESNEL .............................................................................................. 118
3.2.2. ESPECTRORADIMETRO..................................................................................... 119
3.2.3. CMARA CCD ......................................................................................................... 122
3.2.4. DIFUSOR LAMBERTIANO ......................................................................................124
3.2.6. POTENCIMETRO.................................................................................................. 125
3.2.7. SEGUIDOR ..............................................................................................................126
3.2.8. PIRHELIMETRO.................................................................................................... 126
3.3. METODOLOGA DEL EXPERIMENTO...........................................................................127
3.4. RESULTADOS................................................................................................................. 129
3.4.1. MEDICIN DEL ESPECTRO .................................................................................. 129
3.4.2. MEDICIN DE POTENCIA Y CARACTERSTICAS DE LA MANCHA FOCAL...... 131
3.4.4. PATRN DE ILUMINACIN....................................................................................134
4. Fase experimental trmica...............................................................................1374.1.-MATERIAL UTILIZADO ...................................................................................................137
4.2.-METODOLOGA............................................................................................................... 145
4.3.-ANLISIS DE LOS DATOS EXPERIMENTALES ........................................................... 148
5. Simulacin trmica..........................................................................................153
5.1. DEFINICIN DEL SISTEMA............................................................................................ 153
5.2. CONDICIONES DE CONTORNO.................................................................................... 1555.3. ECUACIONES DE GOBIERNO.......................................................................................157
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xvi ndice
5.4. MALLA.............................................................................................................................. 158
5.5. CONVERGENCIA DEL CASO A SIMULAR .................................................................... 161
5.6. VALIDACIN DEL MODELO NUMRICO...................................................................... 161
5.7. ESTUDIO DE SENSIBILIDAD ......................................................................................... 166
5.7.1. VELOCIDAD DEL FLUIDO ......................................................................................167
5.7.2. TEMPERATURA ...................................................................................................... 172
5.7.3. PRESIN ................................................................................................................. 177
5.7.4. COEFICIENTES DE INTERCAMBIO TRMICO..................................................... 182
6. Anlisis trmico del sistema..189
6.1. PRELIMINARES............................................................................................................... 1906.1.1. CONDUCCIN......................................................................................................... 190
6.1.1.1. Esquema de resistencias................................................................................. 193
6.1.2. CONVECCIN......................................................................................................... 194
6.1.2.1. Conveccin hacia el aire................................................................................. 195
6.1.2.2. Conveccin hacia el fluido trmico .................................................................201
6.1.3. RADIACIN ............................................................................................................207
6.2. RESULTADOS................................................................................................................. 211
6.2.1. RESISTENCIA HACIA EL EXTERIOR .................................................................... 212
6.2.1. RESISTENCIA HACIA EL INTERIOR ..................................................................... 212
7. Balance energtico...221
7.1. PARMETROS CLIMTICOS DEL EMPLAZAMIENTO................................................. 222
7.2. RESULTADOS................................................................................................................. 225
7.2.1. PRODUCCIN ENERGTICA ................................................................................ 2267.2.1. POTENCIA Y EFICIENCIA ..................................................................................... 228
7.2.1. COMPARACIN CON SISTEMAS SOLARES ESTNDAR DE PRODUCCIN
TRMICA Y FOTOVOLTAICA..................................................................................................... 229
8. Conclusiones .....................................................................................................235
Bibliografa .............................................................................................................241
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Apndice A. Definicin del sistema....................................................................253
Apndice B. Colector trmico plano terico......................................................261
Apndice C. Ejemplos de integracin arquitectnica ......................................263
Apndice D. Publicaciones ..................................................................................269
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Nomenclatura
A rea (m2)c Velocidad de la luz en el vaco (m/s)
Cs Concentracin simulada o efectiva.
Cx Concentracin geomtrica
d, D Anchura (m)
Dh Dimetro hidrulico.
dTS Distancia entre la Tierra y Sol (m)
E Espesor del materialEr Fraccin de energa emitida por el receptor que recibe el Sol
ECM Error cuadrtico medio (W/cm2)
Er Energa emitida por el Sol (J)
Es Energa emitida por el receptor (J)
f Distancia focal (m)
FR Fraccin directa recibida
G Irradiacin solar (w/m2)
H Espesor de las paredes inferior y superior del disipador (m)
hc Coeficiente de conveccin (W/Cm2)
Hc Altura del canal (m)
IBF Irradiancia solar incidente en la banda focal (W/m2)
IGL Irradiancia solar global en la lente de Fresnel (W/m2)
k Conductividad trmica (W/mC)
L Longitud (m)
L+ Longitud adimensional (adimensional)
Le Longitud caracterstica (m)
Lop Camino ptico (m)
m& Caudal msico (kg/s)
n ndice de refraccin del material
Nu Nmero de Nusselt (adimensional)
Pe Nmero de Peclet (adimensional)
Pr Nmero de Prandtl(adimensional)
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Q Caudal (m3/s)
q Flujo de calor por unidad de superficie (W/m2)
R (Rt) Resistencia trmica (C/W)
R1, R
2Radios de curvatura (m)
Re Nmero de Reynolds (adimensional)
rS Radio del Sol (m)
s Distancia (m)
t Tiempo (s)
Te Temperatura del fluido a la entrada del tubo (C)
Tr Temperatura del receptor (K)
TS Temperatura del Sol (K)
Ts Temperatura del fluido a la salida del tubo (C)
U Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2C)
v Velocidad de la luz en el medio (m/s)
W Espesor de las paredes laterales del disipador (m)
Wc Anchura del canal (m)
Xe Longitud de entrada (m)
SMBOLOS GRIEGOS
ngulo del rayo refractado ()
ngulo caracterstico del prisma ()
ngulo de declinacin solar ()
ngulo de incidencia ()
ngulo de reflexin ()
ngulo de media aceptancia ()
Viscosidad dinmica (Kg/ms)
Densidad (kg/m3)
ngulo lmite del concentrador ()
SUBNDICES
a Ambiente
absor Absorbedor
Ap Apertura
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c Clulas
conc Concentrador
cond Conduccin
conv Conveccin
dp Punto de roco (dew point)
elc Elctrica
eq Equivalente
ext Exterior
f fluido
int Interior
mx Mxima/o
r Receptor
R Cielo
rad Radiacin
S Sol
vi Vidrio
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Captulo 1
Introduccin
En la actualidad la sociedad se est concienciando de que la utilizacin de
fuentes de energa no renovables lleva asociada una contaminacin, unos residuos y una
problemtica poltica.
El uso de combustibles fsiles para la obtencin de energa mecnica,
trmica...implica una contaminacin atmosfrica por los gases que se producen en la
combustin, tales como CO, CO2, SO2... A grandes rasgos, y como ya es conocido, el
CO es altamente txico y, en combinacin con el oxgeno atmosfrico, acaba
convirtindose en CO2, el cual provoca un efecto de apantallamiento a los rayos
infrarrojos que emite la biosfera. Al no dejar que estos rayos fluyan a capas superioresse provoca un calentamiento global, conocido como efecto invernadero. El SO2es el
principal causante de la lluvia cida.
La energa nuclear utiliza tomos de elementos radiactivos para producir
energa, con lo cual se generan unos residios muy problemticos y de difcil gestin.
La problemtica poltica anteriormente mencionada hace referencia al caso del
petrleo; las reservas de petrleo estn distribuidas en unos puntos concretos de la
geografa, que corresponden a unos pases determinados, los cuales ejercen sus derechossobre estas reservas. El poder que implica la posesin y control sobre el petrleo ha
hecho desde hace ya varias dcadas que surjan problemas y conflictos por alcanzar u
obtener mayor poder sobre el citado combustible: Crisis del petrleo de 1973, Guerra
del Golfo y una de las principales causas de la reciente Guerra de Irak.
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2 Captulo 1. Introduccin
Como su propio nombre indica estas fuentes de energa en las que en la
actualidad todava se basa en su gran mayora el modelo de vida de la sociedad son no
renovables, por lo que tienden a agotarse. El mundo cientfico hace tiempo que intenta
subsanar el agotamiento de las fuentes de energa no renovable utilizando energas tales
como la energa elica, maremotriz o solar, entre otras; el problema es que slo en los
ltimos aos ha habido una iniciativa poltica de fomentar este tipo de fuentes de
energa, por lo que los avances en estos campos han estado muy limitados a pequeos
proyectos de investigacin. Actualmente si que hay una clara decisin gubernamental
para incentivar el uso de este tipo de energas, al igual que las empresas privadas
tambin empiezan a participar en proyectos de esta ndole. El problema surge porque en
estos momentos la inversin que supone poner en funcionamiento, por ejemplo, una
estacin de energa solar, es muy alta en relacin a la energa que de esta se puede
obtener, por lo que de momento sale ms rentable econmicamente utilizar los sistemas
de obtencin de energa tradicionales, dado que estas ltimas externalizan los costes
ambientales.
1.1. ENERGA SOLAR
La energa solar es la energa que emite el Sol, que corresponde a una radiacin
electromagntica formada por un conjunto de longitudes de onda, en que su velocidad
de propagacin es unos 3.108m.s-1. El Sol genera su energa mediante reacciones
nucleares de fusin (por ejemplo: dos tomos de hidrgeno que producen helio) que
se llevan a cabo en su ncleo. La generacin de energa proviene, por tanto, de la
prdida de masa del Sol, que se convierte en energa de acuerdo con la famosa ecuacin
de Einstein, E = mc2
, donde E es la cantidad de energa liberada cuando desaparece lamasa m; c es la velocidad de la luz.
La energa solar, como recurso energtico terrestre, est constituida simplemente
por la porcin de la radiacin que emite el Sol y que es interceptada por la Tierra.
La radiacin solar terrestre
La radiacin solar, al atravesar la atmsfera terrestre, es en parte reflejada,
difuminada y absorbida por el polvo y las molculas de gases como el ozono (O3), el
anhdrido carbnico (CO2) y el vapor de agua entre otros. La magnitud de esta
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Captulo 1. Introduccin 3
alteracin de la radiacin depende de la composicin de la atmsfera y de la longitud
del camino recorrido por los rayos del sol.
AM1.5
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Longitud de onda (nm)
Irradiancia
espectral(W/m
2/nm)
Figura 1.1. Espectro solar total con masa de aire (AM) = 1,5. Datos de CENSOLAR.
La radiacin solar, al atravesar la atmsfera, sufre una modificacin en su
espectro como consecuencia del efecto de filtro que ejerce la masa atmosfrica. La
mayor parte de la radiacin ultravioleta es absorbida por el ozono en la alta atmsfera,
mientras que la regin visible de onda corta es dispersada por las molculas del aire,
dndole al cielo su caracterstico color azul. El vapor de agua de las capas bajas de la
atmsfera es el causante de las caractersticas bandas de absorcin en la regin del
infrarrojo cercano, fenmeno tambin producido en menor grado por el CO2.La energa solar absorbida por la atmsfera puede variar ligeramente en funcin
del contenido variable de vapor de agua, polucin o aerosoles de la atmsfera. Sin
embargo, la mayor variacin de absorcin de la atmsfera es debida a la nubosidad.
Banda prohibida (band gap) delsilicio cristalino (1100nm ~ 1.1eV)
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4 Captulo 1. Introduccin
1.1.1. ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA
Bajo la denominacin FOTOVOLTAICO se engloban el conjunto de las
tecnologas que permiten la conversin directa de la luz solar en electricidad, mediante
un dispositivo electrnico llamado CLULA SOLAR.
El efecto fotovoltaico fue descubierto por el fsico francs Edmund Bequerel en
1839. Sin embargo, y a pesar de lo que esta temprana fecha pudiera indicar, la
tecnologa fotovoltaica es muy reciente en nuestra historia. El primer dispositivo que
puede ser propiamente llamado clula solar fue una clula de selenio con una eficiencia
del 1% fabricada en 1941. La Western Electric comercializ, por primera vez, clulas
solares en el ao 1955. En esos aos, la tecnologa fotovoltaica estaba fuertemente
ligada a la carrera espacial. El primer satlite solar fue el Vanguard I, lanzado en 1958,
y que dispona de un mdulo fotovoltaico para alimentar un transmisor de 5 miliwatios.
A partir de este momento todos los ingenios espaciales incorporaron clulas solares en
cantidad creciente. Durante esa poca, la fiabilidad era, para la NASA, un aspecto ms
importante que el coste. La energa fotovoltaica era, al menos, 50 veces ms cara que
cualquier otra forma convencional de energa lo que, naturalmente, mantena a las
clulas solares totalmente alejadas del mercado terrestre.
El embargo de petrleo iniciado por los pases de la OPEP en 1973 supuso unanueva pgina en esta historia, al despertar un gran inters en el uso de las clulas solares
para aplicaciones terrestres. Los fondos dedicados a investigacin, desarrollo y
demostracin se elevaron hasta una cantidad del orden de 300 millones de dlares al
ao. Lo que hasta entonces haba sido una tecnologa espacial, pas rpidamente a
convertirse en una tecnologa fundamentalmente terrestre.
ltimamente el precio de las clulas se ha ido reduciendo considerablemente.
Entre los principales atractivos que ofrecen los sistemas fotovoltaicos, merecendestacar los siguientes:
Su gran modularidad (desde unos pocos watios hasta centenares MW) les
permite ser capaces de producir cantidades pequeas de electricidad en el mismo
lugar de la demanda.
No precisan suministro de combustible alguno para su operacin.
Al disponer de partes mviles, son muy fiables y su operacin y mantenimiento
son muy sencillos y al alcance de personal escasamente especializado. Son absolutamente no contaminantes.
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Captulo 1. Introduccin 5
Su vida operativa es muy larga, probablemente superior a los 30 aos, sin que
muestren apenas degradacin.
A partir de lo que se podra llamar primera clula que se fabric con selenio, los
avances ms grandes desde la dcada de los 50 se han hecho en fabricacin de clulas
de silicio y en la actualidad en clulas que combinan varios semiconductores conectados
formando un tndem (clulas multiunin).
Para poder entender como funciona una clula solar se dan unas pinceladas a la
teora bsica de semiconductores.
1.1.1.1. Las clulas fotovoltaicas
Las clulas solares modernas estn fabricadas de unos materiales con
propiedades electrnicas especficas denominados semiconductores. Las clulas solares
funcionan gracias a algunas de esas propiedades.
Estructura de bandas. Electrones y huecos.
Segn la teora atmica se sabe que los electrones que se encuentran orbitando
alrededor del ncleo atmico no pueden tener cualquier energa sino solamente unos
valores determinados, niveles energticos, a los que se le pone nombre: 1s, 2s, 2p, 3s,
etc.
Las propiedades qumicas de los elementos estn determinadas en buena parte
por el nmero de electrones que tienen los materiales en su ltima capa o capa de
valencia y por cuantos electrones faltan para completarla. Las clulas utilizadas son de
silicio (Si14: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p2), que tiene cuatro electrones en su ltima capa y le
faltan otros cuatro para completarla.
Cuando los tomos de silicio se unen a otros comparten los electrones de las
ltimas capas con los tomos vecinos formando enlaces covalentes, muy estables y
fuertes. Estas agrupaciones de tomos pueden llevarse a cabo de forma ordenada dando
lugar a un slido de estructura cristalina.
Pues bien, de la misma forma que los electrones en un tomo no pueden tener
cualquier energa, los electrones en un cristal tampoco pueden tomar cualquier energa.
Sin embrago, lo que antes, en el tomo, era un nico nivel, ahora, son agrupaciones de
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6 Captulo 1. Introduccin
niveles, muy juntos, llamadas bandas de energa. Y de la misma forma que los ltimos
niveles energticos en un tomo definen las propiedades qumicas del tomo, las ltimas
bandas de energa definen las propiedades electrnicas de un cristal. Las dos ltimas
bandas ocupadas (total o parcialmente por electrones) reciben el nombre de banda de
conduccin (para la ms energtica) y banda de valencia. Estn separadas por una
energa EG denominada energa del gap que desempea un papel principal en esta
teora.
En general, a una temperatura dada, algunos electrones tendrn una energa
suficiente para desligarse de los tomos. En el argot de la teora de los semiconductores,
a esos electrones libres se les denomina electrones propiamente y se les asocia con los
niveles energticos de la banda de conduccin. A los enlaces que han dejado vacos se
les denomina huecos. Reciben un nombre especial porque la teora de los
semiconductores demuestra que se comportan como si se tratase de partculas con carga
positiva y, desde ese punto de vista, resulta ms fcil abstraerse del formulismo de la
mecnica cuntica para realizar razonamientos de carcter fsico.
Propiedades de los semiconductores.
Para explicar los mecanismos de conduccin de la corriente elctrica en un
semiconductor hay que recurrir a las partculas positivas (huecos) y negativas
(electrones) definidos en el apartado anterior. En un conductor, la conduccin de
la corriente se puede explicar nicamente en base a electrones.
En un conductor, su resistencia aumenta con la temperatura, en un
semiconductor intrnseco disminuye.
Cuando un semiconductor se ilumina con fotones con una energa mayor que la
energa del gap, su conductividad aumenta.
Tras esta breve explicacin de la teora bsica de semiconductores y como
resumen: las clulas solares estn formadas por dos o ms capas de semiconductores
entre las cuales se crea un campo elctrico suficiente como para separar las cargas de
signo diferente y permitir la generacin de corriente cuando reciben radiacin luminosa.
En las clulas fotovoltaicas lo ms comn es utilizar como elemento
semiconductor el silicio (monocristalino, policristalino o amorfo). Este silicio sufre un
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Captulo 1. Introduccin 7
proceso tecnolgico en el cual algunos de los tomos que constituyen la red cristalina se
pueden cambiar por otros, llamados impurezas, que pueden ser de dos tipos:
-donadoras, si en su ltima capa tienen un electrn ms que los tomos que
constituyen la red.
-aceptoras, si tienen un electrn menos.
Cuando en el silicio se introducen impurezas donadoras stas pueden perder el
electrn fcilmente. Aadiendo un nmero de impurezas adecuado (mayor que la
concentracin intrnseca del conductor) es posible conseguir que el nmero de
electrones en el semiconductor venga determinado por el nmero de impurezas y no por
la concentracin. Se dice que el semiconductor es extrnsecoy, en este caso, de tipo n.
De forma anloga, cuando en el semiconductor se introducen impurezas
aceptoras, estas capturan un electrn fcilmente lo que origina la aparicin de un hueco
en la red. De nuevo, introduciendo en el semiconductor un nmero de impurezas
adecuado (mayor que la concentracin intrnseca) puede conseguirse que el nmero de
huecos venga determinado por el nmero de impurezas. El semiconductor tiene, de
nuevo, carcter extrnsecopero en esta ocasin se dice que es de tipo p.
La unin de dos capas (unin pn), con los contactos elctricos adecuados,
constituye una clula fotovoltaca.
Figura 1.2. Mdulos fotovoltaicos.
a) Clula silicio monocristalino b) Clula silicio policristalino c) Clula silicio amorfo
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8 Captulo 1. Introduccin
1.1.1.2. Los mdulos fotovoltaicos
Una clula solar aislada proporciona una potencia reducida, con el fin deconseguir potencias tiles para aparatos de media potencia, hace falta unir un cierto
nmero de clulas en serie, con lo cual se aumenta la tensin de la corriente. Estas
uniones de clulas fotovoltaicas constituyen la placa fotovoltaica (unidad
fundamental de las instalaciones fotovoltaicas). Estas placas suelen contener un
nmero de clulas de entre 20 y 40.
Posteriormente, estas placas se conectan entre s en serie i/o en paralelo con el
fin de obtener el voltaje deseado (12, 24V,...).
Los elementos bsicos que integran una instalacin solar son los siguientes:
Figura 1.3. Esquema de un mdulo fotovoltaico.
Los diferentes elementos que constituyen el mdulo fotovoltaico se describirnen el captulo siguiente.
Vidrio
EVA
Kapton
Aluminio
Clulas
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Captulo 1. Introduccin 9
1.1.2. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE CONCENTRACIN
La concentracin fotovoltaica consiste en sustituir las clulas solares, el
elemento con diferencia ms caro de los sistemas fotovoltaicos, por sistemas pticos
(llamados concentradores) que dirijan la luz sobre clulas ms pequeas, con la
condicin de que stas conviertan eficientemente la mayor densidad de energa que
reciben, y los elementos pticos aadidos sean efectivamente ms baratos que el rea de
silicio sustituida. Por tanto, mientras que en los sistemas fotovoltaicos convencionales la
coleccin de la energa solar y la conversin de sta en electricidad eran dos funciones
desempeadas por la clula solar, la concentracin desacopla ambas funciones, siendo
la coleccin realizada por el concentrador y la conversin por la clula.
1.1.2.1. Concentracin con seguimiento
Para conseguir concentraciones mayores que las alcanzables con concentradores
estticos (mximos ~ 4X) los diseos tienen que disminuir su aceptancia angular, por lo
que es necesario seguir al sol en su movimiento aparente respecto a la Tierra. Se puede
optar por diferentes tcnicas de seguimiento segn el nivel de concentracin que se
quiera alcanzar.
Seguimiento estacional, que consiste en el cambio manual de la posicin del
concentrador unas pocas veces al ao para conseguir su apuntamiento.
Seguimiento en un eje, en el que el concentrador gira respecto a un eje
manteniendo al sol dentro de un campo angular de visin del concentrador
durante todo el ao. El eje de giro suele situarse en las direcciones norte-sur,
este-oeste, vertical o polar (direccin norte-sur con elevacin igual a la latitud).
Estos son sistemas que suelen trabajar en el rango de concentraciones
intermedias (40x a 100x).
Seguimiento ideal o en dos ejes, mediante el cual se mantiene el concentrador
apuntado al sol en todo momento. En la prctica, son los sistemas que alcanzan
los niveles ms altos de concentracin.
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10 Captulo 1. Introduccin
SEGUIMIENTO EN UN EJE
Figura 1.4. Sistema de 2-MW emplazado en Sacrameto, California (fuente: DOE/NREL,Warren Gretz)
Figura 1.5. Planta solar EUCLIDES (concentradores cilindro parablicos).
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Captulo 1. Introduccin 11
SEGUIMIENTO EN DOS EJES
Figura 1.6. Planta fotovoltaica (concentrador constituido por lentes de Fresnel linealesarqueadas- Entech-). Fuente NASA.
Figura 1.7. Concentrador disco parablico con un motor Stirling en la Plataforma Solar deAlmera (PSA).
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12 Captulo 1. Introduccin
1.1.3. SISTEMAS HBRIDOS TRMICO-FOTOVOLTAICOS (PVT)
Los sistemas hbridos se basan en el mismo principio que los sistemas de energa
solar trmica, en los cuales se hace circular por el interior de un conducto un fluido que
se calienta por la energa que recibe del Sol. Este tubo se sita por detrs de una
superficie de absorcin de los rayos solares. En los sistemas hbridos lo que se hace es
situar las clulas fotovoltaicas sobre una superficie bajo la cual circula el fluido, en este
caso se sustituira la superficie de absorcin de los sistemas de captacin trmica por las
clulas fotovoltaicas.
De este modo se obtiene energa elctrica a travs de las clulas y energa
trmica a travs del fluido. Este fluido adems cumple una doble funcin: aumenta su
temperatura obtenindose de esta forma energa calorfica y a su vez sirve para
refrigerar el sistema como un disipador. (Las clulas fotovoltaicas a temperaturas
elevadas disminuyen su rendimiento).
Los sistemas hbridos, al igual que los trmicos y los fotovoltaicos, pueden
recibir la radiacin normal o concentrada.
1.2. ANTECEDENTES
1.2.1. DESCRIPCIN DE DIFERENTES PROGRAMAS
Programa del DOE
En 1978, el departamento de energa de los Estados Unidos de Amrica (U.S.
Departament Of Energy, DOE) inicio un plan para disear, manufacturar y evaluar
diferentes tipos de sistemas de concentracin. Setenta aplicaciones experimentales de
concentracin fotovoltaica fueron seleccionadas, representando una amplia variedad en
tamao, tipo de aplicacin y soluciones tcnicas. Durante los aos 80, los sistemas de
concentracin no conocieron las mejoras necesarias para obtener los costes y las
eficiencias necesarias para hacerse un hueco en el mercado. La eficiencia mxima
obtenida por todos los experimentos de la poca estaba entre 10 y 11%. Pero el aumento
de la eficiencia de las clulas de concentracin (de 14% en 1976 a 28% en 1986 para
una clula de la Universidad de Standford a 140 soles) ayud a que se mantuvieran losesfuerzos destinados al desarrollo de mdulos de concentracin.
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Captulo 1. Introduccin 13
Al inicio de los aos 90, el DOE creo el programa PVCI (Photo Voltaic
Concentrator Initiative), incluyendo a cuatro fabricantes de clulas y cuatro fabricantes
de mdulos de concentracin. Pero en 1993, a pesar de haber conseguido eficiencias de
colectores entre 19 y 25% en sistemas de lentes, una reduccin de fondos del DOE
acab con este programa. Slo algunas empresas como ENTECH continuaron sus
esfuerzos en el campo de las tecnologas de concentracin.
En la actualidad con el resurgimiento de la energa solar de nuevo el DOE est
encabezando la investigacin cientfica en sistemas solares, principalmente para
conseguir que la tecnologa utilizada sea competitiva en costes, destinando para ello en
el 2007 ms de 167 millones de dolares.
Programas europeos
Al final de los aos 70, varios experimentos se llevan a cabo en Europa:
-Panel Ramn Areces; Instituto de Energa Solar, Universidad Politcnica de
Madrid
-Sophocle; LAAS, Toulouse, Francia
-PCA; Ansaldo, Genova, Italia
Todos utilizan paneles con la tecnologa de Lentes de Fresnel. Ansaldo tambin
experimenta un concentrador de reflector parablico.
En los aos ochenta, destaca en Europa la colaboracin de la Universidad
Politcnica de Madrid con la empresa espaola de produccin de paneles fotovoltaicos
ISOFOTON S.A. en el mbito de los concentradores estticos, que no llego a salir al
mercado porque la baja concentracin obtenida (alrededor de 2X) y su correspondiente
reduccin de las clulas fotovoltaicas a emplear no permitieron compensar los costes delsistema.
Durante los aos noventa, el proyecto EUCLIDES (EUropean Concentration
Light Intensity Development of Energy Sources) se creo dentro del programa JOULE
de la Unin Europea. Como resultado, un concentrador basado en un reflector
parablico fue desarrollado e instalado en Madrid en 1995, rozando los 14% de
eficiencia. Ms tarde, tambin financiado por la Unin Europea, una planta de
demostracin de 480 kW fue construida en Tenerife (Espaa) en 1998.
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14 Captulo 1. Introduccin
Por su parte, el Fraunhofer-Institut for Solare Energyessystem (FISE) desarroll
un concentrador en dos etapas (reflector parablico + CPC), con seguimiento en un eje
y clulas de GaAs que logr una concentracin de 300 soles.
Un proyecto llamado IDEOCONTE financiado por la Unin Europea (V
programa marco, 2002-2006) tuvo como objetivo identificar la configuracin ms
apropiada para los sistemas de concentracin fotovoltaica, basados en clulas de silicio
y para la aplicacin en plantas de produccin en diferentes regiones. El rango de
concentracin estudiado es de 2 hasta 200X experimentalmente. La primera parte de
estos estudios ha permitido mejorar el diseo de los concentradores y el anlisis de
costes para varias estructuras de seguimiento. El objetivo fue determinar el coste real y
los mejores sistemas para aplicaciones del rango de 100 hasta 2000 kWp. Como
principal sistema de concentracin involucrado en el proyecto se menciona al Euclides,
desarrollado por la Universidad Politcnica de Madrid.
Otros programas de investigacin
Australia es uno de los pases ms involucrados en el desarrollo de la energa
solar concentrada. La Australian Nacional University (ANU) ha desarrollado y
fabricado varios concentradores, algunos de los cuales estn funcionando en plantaspiloto. En relacin al tema de la tesis, se menciona el proyecto CHAPS (Combined Heat
And Power Solar), en el que se financi la construccin de 40kW trmico/fotovoltaicos
del sistema CHAPS (se describir posteriormente) sobre la azotea de un edificio.
Japn ha trabajado histricamente ms en el sector de la baja concentracin,
pero ltimamente, atrado por las grandes expectativas levantadas por los sistemas de
alta concentracin, esta trabajando en el desarrollo de sistemas de alta concentracin y
de clulas de Multi-Junction para esas aplicaciones.Israel tambin es de los pases histricamente involucrados en el desarrollo de
esta tecnologa, particularmente a travs de la Universidad Ben Gurion. El profesor
Jeffrey Gordon es quien encabeza el Departamento de Energa Solar y Fsica
Medioambiental, especializado con reconocimiento a nivel mundial en ptica para
sistemas solares de concentracin, caracterizacin de clulas multiunin, nanomateriales
(fullerenos), ptica biomdica y biotecnologa.
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Captulo 1. Introduccin 15
Se pueden citar tambin los esfuerzos recientes realizados por pases con
mercados energticos en fases de crecimiento muy rpido y con grandes problemas de
suministro energtico para las zonas aisladas, como China y la India.
Despus de esta breve descripcin de la historia de los concentradores, se puede
concluir que la tecnologa an no est madura. La primera prueba de ello es que an no
se ha hecho un hueco en el mercado. Otra indicio muy significativo es que, tanto en
Estados Unidos como en la Unin Europea, los proyectos en marcha se dedican
bsicamente a estudiar los diferentes tipos de concentradores para seleccionar los de
mayor proyeccin: Existe una variedad de tecnologas muy grande y se necesitan
muchos experimentos para evaluar las mejores soluciones.
1.2.2. ANTECEDENTES DE SISTEMAS HBRIDOS DE CONCENTRACIN
Los estudios ms relevantes que se han realizado dentro de los colectores PVT
con concentracin son los siguientes:
Garg analiza la utilizacin de reflectores planos sin seguimiento con ratios de
concentracin de 2x para PVT refrigerados por aire (Garg et al., 1999) y un sistema de
termosifn (Garg et al., 1994). Sharan y Kandpal (1992) caracterizan un colector PVT
con seguimiento solar en un eje, con un reflector Fresnel de una concentracin de 5x.Ms recientemente se ha estudiado el uso de concentradores parablicos
compuestos (CPCs) para sistemas PVT (Brogren y Karlsson, 2002; Brogren, 2001;
Brogren et al., 2000; Garg y Adhikari, 1999). Garg analiza un concentrador CPC de 3x
con aire como fluido de trabajo, concluyendo que el concentrador puede mejorar su
diseo si se requieren temperaturas ms elevadas. En Suecia, Brogren est explorando la
utilizacin de CPCs para aplicaciones en sistemas PVT que requieren agua como fluido
de trabajo. En particular, Brogren est estudiando las propiedades pticas de los CPCs yel impacto en el diseo de las clulas fotovoltaicas de los efectos de iluminacin no
uniforme, alta temperatura y alta intensidad lumnica.
Con ratios ms elevados de concentracin (media concentracin) ENTECH
prob dos sistemas que utilizaban lentes Fresnel lineales. El primer ensayo, con un
concentrador de 25x fue en el hotel Hyatt en Dallas / Fort Worth Internacional Airport.
Este sistema produca 24kW elctricos y 120 kW trmicos (este sistema estuvo en
funcionamiento de 1982-1992). El segundo sistema que utiliz fue en Sandia-
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16 Captulo 1. Introduccin
Albuquerque, con una concentracin de 40x, y con unos rendimientos de 22kW
elctricos y 70kW trmicos.
Actualmente en la Universidad Nacional de Australia (ANU) estn trabajando
con sistemas PVT, a los que denominan CHAPS (Combined Heat And Powered Solar).
Estos sistemas utilizan un concentrador parablico, con un ratio de concentracin que
oscila entro los 20 40x. (Coventry y Lovegrove, 2003; Coventry, 2005).
En la Universidad de Lleida se han construido y estudian colectores PVT con
concentradores Fresnel de espejos, que consiguen concentraciones de entre 5 y 20X
(Chemisana et al., 2006; Rosell et al., 2005).
Aumentar concentracin a unos niveles mayores tiene el problema de que las
clulas estn sometidas a un flujo de calor muy elevado. Para evitar en cierta medida
este efecto, se utilizan unos filtros que slo permiten el paso de la radiacin directa con
el rango del espectro que utilizan las clulas fotovoltaicas. El resto de la radiacin es
desviada directamente a un absorbedor trmico. Este mtodo se conoce como spectral
beam splitting, y esta descrito perfectamente por Imenes y Mills (2002).
Hamdy et al. (1988) realizaron una simulacin en TRNSYS comparando un
colector PVT con una concentracin de 50x con otro colector slo fotovoltaico con
tecnologa beam splittinga 50 y 22x. Un consorcio japons (Yang et al., 1997) propuso
un sistema similar usando un espejo parablico selectivo. El spectral beam splitting se
propuso tambin para dos concentradores en Australia, the Multi Tower Solar Array
(Mills et al., 2002) y el SS20 (Lasich, 2001).
En la actualidad, tanto los colectores de baja, como de media y alta
concentracin tienen unas caractersticas que por su tamao, peso, etc. prcticamente
limitan su uso a sistemas industriales que dispongan de grandes azoteas o superficies; o
en el caso de los sistemas domsticos (baja concentracin), a casas, edificios que al
igual que en el caso anterior dispongan de superficies importantes.
En el caso de las viviendas, y teniendo en cuenta el precio actual del suelo,
ocupar un espacio grande con el sistema PVT supone no poder destinar ese espacio a
otro uso. Adems a la concentracin a la que se trabaja en estos sistemas domsticos (2-
5x) se requiere de un nmero elevado de m2de colector, para obtener unos mnimos de
energa del colector.
Teniendo en cuenta estas consideraciones y la necesidad actual de la utilizacin
de energas renovables para evitar el agotamiento de los recursos, la degradacin de lacapa de ozono, el calentamiento globales necesario crear colectores domsticos que
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Captulo 1. Introduccin 17
trabajen a una concentracin mayor (10-30x) y ocupen un espaci menor. De esta forma
se rentabiliza mucho ms el m2 ocupado por el sistema PVT, adems de aadir una
manejabilidad, posibilidad de acoplado de varios mdulos segn las necesidades,
compacidad, etc. (trabajo en el cual se enfoca la tesis).
1.3. MOTIVACIN
Utilizacin de sistemas de concentracin en Espaa/Catalua
Los sistemas fotovoltaicos con concentracin utilizan slo la parte directa de la
radiacin solar. La figura 17 presenta el mapa de radiacin directa de Espaa obtenido
mediante satlite y editado por el CIEMAT (extrado de la presentacin: Centrales
Solares Termoelctricas. Proyectos en Ejecucin en Espaa, mayo de 2005 Universidad
Politcnica de Comillas, de Manuel Romero Director de la Divisin de Energas
Renovables, CIEMAT-) para la a partir de un estudio realizado mediante Satlite. Se
observan dos zonas en rojo:
-La zona de Almera, cuyo potencial era conocido y que favoreci la creacin al
inicio de la dcada de los 80 de la Plataforma Solar de Almera por parte del Ministerio
de Educacin y Ciencia para demostrar la viabilidad tcnica de la energa solarconcentrada como fuente de energa elctrica.
-La zona de Lleida y la parte oriental de la provincia de Huesca. Este dato abre
la posibilidad de impulsar la Universidad de Lleida como el segundo centro de
investigacin de las diferentes tecnologas de concentracin solar a nivel estatal.
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18 Captulo 1. Introduccin
Figura 1.8. Mapa de radiacin solar directa en Espaa.
Perspectivas de la energa solar por concentracin
La eficiencia cuntica de la conversin fotovoltaica aumenta con la
concentracin, lo que hace aumentar la eficiencia instantnea del sistema. Pudindose
reducir el nmero de clulas del sistema (del orden del factor de concentracin), se
pueden emplear clulas ms caras sin repercutir apreciablemente en el coste global. Se
estn desarrollando tecnologas de clulas multicapas con eficiencias en laboratorio
superiores al 40%. El ltimo record del 42,8 % se basa en la utilizacin de silicio
cristalino junto con otros semiconductores (University of Delaware consortium, 2007).
La previsin es que esta eficiencia siga incrementndose progresivamente.
Es un dato altamente significativo y positivo que el ltimo record de eficiencia
obtenido por el consorcio de la Universidad de Delaware, dentro del programa DARPA
(Defense Advanced Research Projects Agency), se haya conseguido con una
concentracin de 20X. Este rango de concentracin est dentro del previsto para el
sistema que se propone, por lo que esta lnea de investigacin, que pretende alcanzar
rendimientos de clulas del 50%, es un aspecto remarcable para la tesis.
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Captulo 1. Introduccin 19
Figura 1.9.Evolucin de la eficiencia de las clulas fotovoltaicas.
La tecnologa ms prometedora de estas clulas de nueva generacin es la de las
multicapas. Para poder aprovechar un intervalo ms grande del espectro solar, se apilan
varias clulas unas encima de otras. Cada una de ellas absorbe un intervalo del espectro
solar segn el material semiconductor que la compone (fig. 1.10). Eligiendo
convenientemente los materiales de cada una de ellas para aprovechar al mximo el
intervalo de longitud de ondas, se obtienen clulas de eficiencias muy altas.
Figura 1.10. Corte de una clula multicapas y bandas de absorcin de los diferentes materialesque componen una clula multicapas.
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20 Captulo 1. Introduccin
Los concentradores se pueden fabricar con materiales constructivos
convencionales, disponibles en gran cantidad en el mercado y con costes razonables
(acero, espejos). Esto favorece su desarrollo en el sentido que puede aumentar
rpidamente su capacidad de produccin a varios centenares de MWh/ao usando las
infraestructuras industriales ya existentes.
La superficie total de clulas fotovoltaicas (material ms caro) queda dividido
por la concentracin geomtrica que puede ir de 2X a 400X para las clulas de silicio y
de 500X a 1500X para clulas fabricadas con otros materiales semiconductores. Se
reemplaza as un gran nmero de clulas (coste aproximado de 500 Euros/m2) por unas
pocas asociadas a un sistema de concentracin compuesto generalmente por espejos
(~15 Euros/m2) o lentes de Fresnel (~83 Euros/m2).
El almacenamiento de la energa producida (trmica y elctrica) puede realizarse
tambin a travs de un sistema de produccin de hidrgeno. La capacidad de almacenar
la energa solar producida es un aspecto fundamental para el desarrollo de sta
tecnologa, ya que las energas renovables est siendo atacadas por su alto coste, pero
tambin por la problemtica de su limitada disponibilidad.
Adems, se esta produciendo un desplazamiento rpido de los das de mayor
consumo energtico del invierno haca los das ms calurosos del verano en todos los
pases desarrollados debido al gran consumo de los aparatos de climatizacin. En
California, este fenmeno ya esta claramente establecido y ha provocado unos cortes en
el suministro elctrico de una gran magnitud. Esta realidad favorece de manera muy
importante el desarrollo de la energa solar de concentracin. En efecto, esta tecnologa
se diferencia de la de los colectores planos por el hecho de que utiliza solo la radiacin
solar directa, la cual es ms importante es en periodos estivales.
Se enumeran y resumen a continuacin las ventajas de la concentracin solar
respecto a los sistemas de placa plana:
Eficiencia superior
Los concentradores son la nica opcin para conseguir eficiencias de sistemas
superiores al 20%. Esto reduce la ocupacin del suelo y sus costes asociados
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Captulo 1. Introduccin 21
Menor problemtica de disponibilidad de materiales
Los concentradores utilizan materiales de construccin estndares para la mayora de
sus requisitos.
Menor uso de productos txicos
Muchos conceptos de clulas de capa delgada utilizan bastantes productos txicos como
cadmio, etc. A menor superficie de clulas, menor utilizacin de productos nocivos.
Facilidad de reciclaje
La tendencia en la fabricacin moderna de productos en masa es hacer un producto tan
reciclable como sea posible. Los concentradores estn compuestos principalmente de
materiales fcilmente reciclables como acero, aluminio y plstico. Reciclar paneles
planos resulta mucho ms difcil.
Alto porcentaje de produccin local
Aparte de las clulas, el resto del sistema de concentracin puede ser fabricado en
cualquier parte del mundo, cerca del punto final de uso.
Tratados los aspectos motivadores de los sistemas hbridos con concentracin, acontinuacin se describen sus principales limitaciones.
1.4.LIMITACIONES DE LA ENERGA SOLAR POR CONCENTRACIN
Las clulas fotovoltaicas de los sistemas con concentracin slo transforman una
parte (que depende de su eficiencia instantnea) de las altas densidades de flujo que
inciden en las clulas. La mayor parte de la energa incidente no transformada enelectricidad es absorbida por las clulas en forma de calor, produciendo un elevado
aumento de temperatura. La eficiencia de cualquier clula fotovoltaica decrece (en
mayor o menor proporcin segn el tipo de clula) con el aumento de su temperatura
(fig. 1.11).
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22 Captulo 1. Introduccin
Figura 1.11Eficiencia de las clulas fotovoltaicas en funcin de la temperatura segn variosautores (Royne et al.,2005)
(a) (b)
Figura 1.12. (a)Dependencia de la curva I-V con la irradiancia (T=25C) y (b)la temperatura(AM1,5, 1kW/m2).
Este hecho de la alta temperatura que alcanzan las clulas fotovoltaicas nos
introduce al siguiente apartado, que son los sistemas de disipacin.
I (A) I (A)
V (V)V (V)
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Captulo 1. Introduccin 23
1.5. SISTEMA DE ENFRIAMINETO DE LOS GENERADORESSOLARES FOTOVOLTAICOS
1.5.1 INTRODUCCIN A LA PROBLEMTICAEl estudio de la gestin trmica de los generadores solares fotovoltaicos de
concentracin se puede realizar desde dos puntos de vista muy diferentes, pero no por
ello antagnicos:
1- Una de las motivaciones ms importantes para estudiar los colectores hbridos
trmico-fotovoltaicos es el hecho de que, incluso con clulas fotovoltaicas de silicio de
alta calidad con eficiencias qunticas cercanas a la ideal, la mayor parte de la energa
del sol se convertir siempre en calor.
La ganancia en el balance energtico global del sistema solar hbrido respecto a
un colector solar trmico o fotovoltaico clsico depender en gran parte de un aspecto:
la capacidad del sistema de disipacin para transmitir al fluido refrigerante la energa no
transformada en electricidad. As se mejora la eficiencia global del sistema al
aprovechar una mayor cantidad de energa trmica.
El concentrador solar trmico fotovoltaico de Solar Systems Pty. Ltd. enfuncionamiento en Australia alcanza una eficiencia global (elctrica + trmica) de 70%.
2- Para lograr una mayor competitividad en el mercado, los generadores
fotovoltaicos necesitan mejorar su produccin de energa elctrica. Para ello, los
sistemas con concentracin utilizan clulas fotovoltaicas ms caras, pero en menor
cantidad y con eficiencias mayores.
Una tecnologa que permita controlar al mximo el aumento de la temperatura
de las clulas es claramente un aspecto clave del diseo de los concentradoresfotovoltaicos.
En un sistema de aprovechamiento trmico, sus caractersticas dependen del
salto trmico que se produce entre la entrada y la salida del fluido trmico. Si las clulas
fotovoltaicas estn conectadas en serie, hay que tener en cuenta que la produccin
global se vera limitada por la clula con menor eficiencia instantnea (la que est
sometida a una mayor temperatura, si no se dan otros efectos como por ejemplo el
sombreo).
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24 Captulo 1. Introduccin
1.5.2 ESTADO DEL ARTE
Sala (1989), aunque no haya enfocado nicamente su trabajo hacia los
generadores fotovoltaicos de concentracin, plantea los efectos de la temperatura sobre
los diferentes parmetros de las clulas fotovoltaicas y describe los esquemas bsicos delos sistemas de enfriamiento pasivos y activos.
Florschuetz (1975) present un trabajo terico en el que estableci una ecuacin
que, para un sistema de enfriamiento dado, encontraba el nivel de iluminacin ideal para
la generacin de la mxima potencia. Pero los puntos coinciden con temperaturas de
clulas muy altas que provocaran la destruccin las mismas. En su trabajo demostr
que la importancia de la resistencia trmica del sistema de enfriamiento aumenta con el
nivel de concentracin. Esto es debido a que la diferencia de temperatura (T) a travsde una frontera entre materiales se obtiene a partir:
qRT = (1.1)
Entonces, para mantener una diferencia de temperatura constante mientras se
aumenta el flujo trmico (o, lo que viene a decir lo mismo, mientras se aumenta el nivel
de concentracin), se tiene que reducir la resistencia trmica del sistema de disipacin.Existen dos categoras de tcnicas de enfriamiento de clulas, la pasiva y la
activa. Las aplicaciones de cada una dependen del nivel de concentracin y de la
configuracin de las clulas.
Royne et al. (2005) describen las diferentes exigencias que debera cumplir un
sistema de enfriamiento de un receptor fotovoltaico de concentracin: control de
temperatura de las clulas, uniformidad de temperaturas, fiabilidad y simplicidad,
aprovechamiento de la energa trmica y potencia de bombeo.Las diferentes tecnologas de enfriamiento varan en funcin de si se trata de un
sistema de concentracin con clulas aisladas (sistemas de lentes de Fresnel puntuales),
sistemas lineales o sistemas de concentracin en matrices de clulas (receptores
fotovoltaicos de matriz densa).
El sistema de concentracin utilizado es lineal, por lo que se describe a
continuacin esta tipologa de tecnologas de enfriamiento.
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Captulo 1. Introduccin 25
1.5.2.1 Tecnologas de enfriamiento para receptores lineales
Figura 1.13. Sistemas de concentracin en geometra lineal: (a) Refractivo (Royne et al.,2005) y(b) Reflexivo.
Estos sistemas alcanzan niveles de concentracin de entre 5 y 40 soles. Pueden
ser de tipo refractivo (figura 1.13a) o reflexivo (figura 1.13b).
Enfriamiento pasivo
El concentrador parablico EUCLIDES (de 30 soles), fabricado y en
funcionamiento en Espaa, transmite la energa trmica absorbida por las clulas al
ambiente mediante un disipador de aletas fabricado en aluminio ligero. Para lograr un
enfriamiento ptimo de las clulas, la tecnologa utilizada en la fabricacin del
disipador tuvo que ser bastante costosa: Constituye un 15,7 % del coste total del
proyecto mientras que los mdulos fotovoltaicos y los espejos slo supusieron n un 11,9
% y 10,8 % respectivamente.
Edenburn (1980) advirti que, debido a las ms altas temperaturas de las clulasfotovoltaicas, que implican un camino ms largo para que el calor sea conducido a las
aletas de refrigeracin del disipador, el enfriamiento pasivo de un diseo lineal es
mucho ms caro que para la configuracin de una clula aislada.
Tambin se han estudiado sistemas de enfriamiento pasivo en esta configuracin
mediante tubos de vaco (Feldman et al., 1981; Launay et al., 2004; Akbarzadeh y
Wadowski, 1996). Los resultados obtenidos son correctos pero no se han realizado
estudios de impacto sobre el precio total del sistema.
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26 Captulo 1. Introduccin
Enfriamiento activo
Florschuetz (1975) observ en el caso del enfriamiento activo por aire, la baja
capacidad trmica del aire provocaba un aumento considerable de la temperatura a lo
largo de la fila de clulas. La potencia de bombeo resultaba adems considerable
respecto a la efectividad del enfriamiento. El enfriamiento por agua permite adems
trabajar a niveles de concentracin ms altos.
Edenburn (1980) demostr que, para la configuracin lineal, el enfriamiento
activo resultaba ms rentable que el pasivo. El nmero de trabajos realizados es tambin
mucho ms importante. La mayora de ellos utilizan tubos o canales de aluminio, acero
galvanizado o de cobre, colocados al dorso de la fila de clulas, por los cuales fluye en
lquido refrigerante. Las resistencias trmicas de esta tipologa de sistemas son del
orden de 10-4 K.m2/W, (con circulacin del fluido trmico en rgimen laminar). Es
importante evaluar estas resistencias con las respectivas potencias de bombeo
necesarias. Se ha demostrado que existe una regin ptima de operacin en cuanto a la
potencia de bombeo, porque el ritmo de aumento de la resistencia trmica baja cuando
el flujo msico crece.
El sistema CHAPSde laAustralian National University(figura 13 a)) es uno de
los sistemas de concentracin lineal con enfriamiento activo ms avanzado en su
proceso de desarrollo (Coventry, 2005). Trabaja a 37 soles y tiene una eficiencia
elctrica y trmica de 11 % y 57 % respectivamente. No se ha estudiado el efecto del
aumento de la temperatura a lo largo de cada fila del concentrador que puede llegar a
medir ms de 20 metros. Este aspecto puede tener una influencia notable sobre la
eficiencia total de los concentradores lineales.
Figura 1.14. Sistemas de concentracin lineales: Sistema CHAPS (izquierda); Sistema BIFRES11X
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Captulo 1. Introduccin 27
El grupo de investigacin en energa solar de la Universidad de Lleida ha
desarrollado el sistema BiFres11X (figura 1.14) (Rosell et al., 2005), un generador
hbrido trmico-fotovoltaico que alcanza los 11 soles de concentracin mediante un
reflector tipo Fresnel. Las eficiencias elctricas y trmicas son de 11,9 % y 56 %
respectivamente, del orden del sistema CHAPS, pero con concentraciones menores
1.6. OBJETIVOS
El objetivo motivo del trabajo es disear y caracterizar un sistema solar hbrido
de concentracin cuya finalidad sea su integracin arquitectnica en edificios.
El diseo presenta una gran versatilidad en la incorporacin en edificios:
Se puede utilizar en tejados; cumpliendo funciones de cubierta que permite el paso de la
luz solar al edificio o emplazado sobre el cerramiento de bloques de hormign, ladrillos,
etc. Adems permite que su funcionamiento sea satisfactorio tanto en tejados planos
como con pendiente.
En las fachadas se puede integrar de diversas formas, constituyendo un muro
cortina, formando parte de las barandas de las terrazas, haciendo la funcin de una
fachada ventilada, etc.
Adems de que el sistema sea integrable, un objetivo adicional es que al tratarse
de un sistema hbrido posibilite tanto el abastecimiento de energa trmica como de
electricidad en un alto porcentaje. Atendiendo a las directivas gubernamentales de
inclusin de sistemas trmicos en edificios, etc. la alternativa que se ofrece se pretende
proporcione una opcin ventajosa e interesante.
1.6.1. DESCRIPCIN DE CONTENIDOS
La tesis se estructura de la siguiente manera: El presente captulo expone las
caractersticas de los sistemas solares de concentracin e hbridos.
A continuacin, se detalla en el captulo 2 el anlisis del sistema ptico que incorpora el
prototipo. El tercer captulo incluye la descripcin del procedimiento experimental para
la caracterizacin de sistemas refractivos constituidos por lentes de Fresnel. Este estudio
se ha realizado conjuntamente con el Centro Nacional de la Investigacin Cientfica
(Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS).
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28 Captulo 1. Introduccin
En el captulo 4 se describe el montaje desarrollado para el estudio experimental del
sistema de disipacin.
Como el diseo de disipador utilizado no tiene antecedentes directos, una
caracterizacin de sus prestaciones es necesaria. Para ello se ha desarrollado un modelo
numrico que se detalla en el captulo 5 y que se valida en base a los resultados
obtenidos en el diseo experimental.
Para caracterizar el colector en su conjunto se realiza un anlisis trmico del mismo por
el mtodo de resistencias trmicas, con el objetivo de conocer la curva caracterstica del
colector (captulo 6).
En el captulo 7 se elabora un anlisis energtico global del sistema, mediante su
simulacin en el software TRNSYS.
Finalmente se termina con el captulo nmero 8 de conclusiones, que recoge los
principales resultados de la tesis y orienta los futuros trabajos relacionados con el
sistema propuesto.
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Captulo 2
Anlisis ptico del sistema
Como se ha pincelado en la introduccin el sistema que se describe es un
dispositivo con capacidad de aprovechamiento trmico y elctrico simultneo, que
trabaja en condiciones de concentracin lineal con ratios de alrededor de 10X.
A continuacin se disean y analizan una serie de dispositivos pticos, siendo el
objetivo final obtener un sistema que, funcionando en condiciones de seguimiento
estacional, cumpla una serie de requerimientos y condicionantes que ms adelante se
especificarn y desarrollarn.
El captulo se divide en dos puntos principales:
A. El concentrador primario.B. El concentrador secundario.
Previamente se realiza una introduccin a la ptica geomtrica (formadora de
imagen) y a la ptica no formadora de imagen. Incluyendo una breve descripcin de los
elementos pticos que se utilizarn.
2.1. INTRODUCCIN
2.1.1. PTICA GEOMTRICA (FORMADORA DE IMAGEN)
Es la que estudia los cambios de direccin de los rayos luminosos al
interaccionar con la materia.
En ptica geomtrica se definen los siguientes postulados fundamentales:
La luz se propaga en forma de rayos emitidos por fuentes luminosas y pueden
ser observados cuando alcanzan un detector ptico.
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30 Captulo 2. Anlisis ptico del sistema
Un medio ptico se caracteriza por una cantidad n>1, llamado ndice de
refraccin, que es el cociente entre la velocidad de la luz en el vaco, c, y la
velocidad de la luz en el medio, v.
v
cn = (2.1)
La definicin del ndice de refraccin indica que, para el vaco, n = 1. Por otra
parte, a partir de la ecuacin anterior, se puede obtener el tiempo (t) que tarda la
luz en recorrer una distancia s, ya que
c
Lt
c
ns
v
st
op=== (2.2)
donde se define el camino ptico como
nsLop = (2.3)
En un medio heterogneo, el ndice de refraccin es una funcin de la posicin
determinada por el vector ),,( zyxrr rr = , de forma que n = n(r). En estos casos,
para calcular el camino ptico a lo largo de una trayectoria luminosa entre dos
puntos A y B, se debe descomponer la trayectoria en pequeos elementos
infinitesimales, ds, de forma que
dsrnL
B
A
op = )( (2.4)
Es decir, el tiempo que tarda la luz en recorrer la trayectoria desde el punto A
hasta el punto B es proporcional al camino ptico y vale
c
Lt
op= (2.5)
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Captulo 2. Anlisis ptico del sistema 31
2.1.1.1. Principio de Fermat
Antes de que Maxwell desarrollara su teora electromagntica, la propagacin de
la luz y otras ondas fue descrita empricamente por dos principios desarrollados por C.
Huygens (1629-1695) y P. Fermat (1601-1665). Dichos principios constituyen la basede la ptica Geomtrica.
Hay que tener en cuenta que con la ptica Geomtrica se obtienen los mismos
resultados que con la ptica Electromagntica, siempre y cuando la longitud de onda de
la luz sea mucho menor que los objetos con los que interacciona. La ptica Geomtrica
se ocupa solamente de cuestiones relacionadas con la propagacin de la luz, de forma
que su objetivo es determinar las trayectorias de la energa radiante a travs de distintos
medios. Esta teora se basa en los conceptos de rayo luminoso, utilizado para
caracterizar la luz; y de ndice de refraccin, que caracteriza los medios materiales por
los que se propaga la luz.
Principio de Huygens
Cada punto de un frente de ondas primario sirve como foco de ondas esfricas
secundarias que avanzan con una velocidad y frecuencia igual a las de la onda primaria.
El frente de ondas primario al cabo de un tiempo es la envolvente de estas ondas
elementales.
Definindose el frente de ondas como el lugar geomtrico de los puntos cuya
diferencia de fase es constante.
Principio de Fermat
El camino ptico a lo largo de una trayectoria real de luz es estacionario, es
decir, es un extremal.
Un extremal puede ser un mnimo, un mximo o un punto de inflexin. Sin
embargo, normalmente suele ser un mnimo, en cuyo caso los rayos de luz se propagan
a lo largo de trayectorias de tiempo mnimo. Dicho de otra forma: la trayectoria seguida
por la luz para pasar de un punto a otro es aquella para la cual el tiempo de recorrido es
mnimo.
2.1.1.2. Propagacin de la luz en un medio homogneo
En un medio homogneo, el ndice de refraccin no vara de un punto a otro, y
por lo tanto la velocidad de la luz ser constante. En este caso, el camino de tiempo
mnimo que exige el principio de Fermat es tambin el camino de mnima distancia, ya
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32 Captulo 2. Anlisis ptico del sistema
que L = ns. Esto implica que las trayectorias de la luz en medios homogneos sern
siempre rectilneas, adems tambin son reversibles.
2.1.1.3. Leyes de la refraccin y de la reflexin
Cuando un haz de luz incide sobre una superficie lmite de separacin entre dos
medios (por ejemplo aire-vidrio), parte de la energa luminosa se refleja y parte entra en
el segundo medio, segn se muestra en la figura. El cambio de direccin del rayo
transmitido se llama refraccin (ley de snell)y el rayo reflejado se llama reflexin.
Figura 2.1. Ley Snell (izquierda) y ley de reflexin (derecha).
2.1.1.4. ptica paraxial
Muchas de las situaciones que se estudian en la ptica Geomtrica presentan
como particularidad que los ngulos con los cuales se trabaja son pequeos. Cuando se
trabaja en estas condiciones se habla de ptica de primer grado o bien ptica Paraxial.
En estos casos, la aproximacin del seno o la tangente del ngulo por su arco es vlida:
)sin( )tan( (2.6)
En estas condiciones, la ley de la refraccin se escribe nn = .
2.1.1.5. Lentes delgadas
Si el grosor de la lente es pequeo frente a los radios de curvatura, se verifica
que:
n
n
n
n
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Captulo 2. Anlisis ptico del sistema 33
=
21
11)1(
1
RRn
f (2.7)
donde f es la distancia focal, n el ndice de refraccin del material y R1/R2los radios de
curvatura.
2.1.1.6. Ley de los senos
Se describe a continuacin el desarrollo (Rabl, 1976) que est basado en la
segunda ley termodinmica aplicada al intercambio radiativo entre un receptor y el Sol.
A pesar de que el Sol no es un cuerpo negro se considera como tal, con una temperatura
TS. Se aproxima el Sol como una fuente esfrica de energa radiante. Del principio de
conservacin de la energa se infiere que el flujo energtico vara con el inverso de la
distancia desde el centro del Sol. Ms concretamente la energa decrece, para esferascada vez mayores, inversamente proporcional con el rea. De tal forma el flujo sobre la
superficie de la tierra es igual que el flujo sobre la superficie solar en un factor
4rS2/4dTS
2siendo rSel radio del Sol y dTSla distancia de la Tierra al Sol.
Figura 2.2. Esquema de las relaciones geomtricas para un concentrador.
En estas condiciones la energa emitida por el Sol que llega al absorbedor es
4
2
2
S
TS
s
apST
d
rAE = (2.8)
y la energa que irradia el receptor considerado como un cuerpo negro a una temperatura
Tres
'4rrrr ETAE = (2.9)
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34 Captulo 2. Anlisis ptico del sistema
donde Errepresenta la fraccin de energa radiada que llega al Sol, Aapy Arlas reas de
apertura y del receptor respectivamente.
En el equilibrio termodinmico TS y T
rse igualan, y por la segunda ley de la
termodinmicaEses igual aEr,as pues
'2
2
r
S
TS
r
apE
r
d
A
A= (2.10)
como el valor mximo de Er es la unidad, geomtricamente se puede deducir que
sens=rS/dTSy generalizando la expresin para cualquier medio de ndice nmediante la
ley de Snell, el mximo de la concentracin geomtrica resulta
SSS
TS
r
ap
sen
n
senr
d
A
A
2
2
'22
2 1===
=
mx
mxx,C (2.11)
Cuando el concentrador se considera unidimensional o lineal la expresin
anterior se reduce a la siguiente
Sr
ap
sen
n
A
A
=
=
linealmx,
linealmx,x,C (2.12)
A las 2 ecuaciones anteriores se les denomina la ley del seno de la concentracin.
2.1.2. CONCENTRACIN SIN FORMACIN DE IMAGEN (ANIDLICA)
El sistema ptico anidlico es aquel que no produce una imagen de la fuente de
luz. Se disea para concentrar la radiacin en una densidad tan alta como tericamente
sea posible.
La ptica anidlica se utiliz en sus inicios para detectar la radiacin de
Cerenkov en un reactor de fisin en los aos 60. La radiacin de Cerenkov es una seal
dbil y tiene un ngulo de emisin limitado; estas caractersticas exigieron el uso del
concentrador anidlico. Un detector para la radiacin de Cerenkov con un concentrador
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Captulo 2. Anlisis ptico del sistema 35
anidlico fue instalado en el laboratorio de Fermi de la universidad de Chicago, y en el
laboratorio nacional de Argonne en los E.E.U.U. por Hinterberger y Winston. El trabajo
anterior sobre este concentrador ideal fue emprendido por Baranov en la anterior URSS
(Winston y Welford, 1989).
El sistema anidlico puede concentrar la radiacin solar de baja densidad sin un
mecanismo de seguimiento solar. Puede ser diseado como concentrador solar esttico.
Esta caracterstica es muy atractiva, realizndose muchos estudios desde los aos 70,
conducidos por el equipo de la universidad de Chicago. Los trabajos en esta poca se
centraron en el diseo y los fundamentos tericos de concentradores estticos. Su
cociente de concentracin mximo tiene un valor terico de cuatro en trminos de
densidad del flujo de radiacin. Despus de estos estudios en baja concentracin, los
investigadores han cambiado sus lneas de investigacin hacia el diseo de colectores de
alta concentracin solar. En teora el concentrador ptico anidlico es ideal, y puede
alcanzar un cociente de concentracin mximo de n2 x 43400 con un material
transparente de ndice de refraccin n. (El ndice de refraccin del aire es n = 1).
La ptica anidlica se ha desarrollado a partir de la ptica geomtrica. En
contraste con los dispositivos formadores de imagen, los sistemas anidlicos no crean
necesariamente una imagen del objeto (la fuente) en el plano focal. La meta de la ptica
anidlica es no alcanzar precisin fotogrfica, sino la coleccin de los rayos incidentes
en una primera abertura (entrada) del sistema ptico.
Mientras que los rayos en un sistema de proyeccin de imagen generalmente
atraviesan formando un frente de onda, ms o menos ordenadamente del objeto a la
imagen. Los rayos individuales dentro del concentrador anidlico pueden dar una
impresin desorientada cuando son reflejados o refractados un nmero de veces antes de
salir por la segunda abertura.
2.1.2.1. Funciones de los concentradores anidlicos
En este tipo de concentradores la forma depende totalmente de la funcin. Un
alto cociente de concentracin geomtrico y los errores pticos pequeos se relacionan
directamente con la extensin del haz o el nmero medio de reflexiones y las prdidas
asociadas, conceptos de diseo que a menudo estn en conflicto. El cociente de
concentracin y los requisitos a seguir son generalmente correlacionados positivamente.
El montaje del reflector o del refractor y el receptor, pueden definir el cociente de
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36 Captulo 2. Anlisis ptico del sistema
concentracin que es alcanzable. La tabla 2.1 da una descr
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