ES2281231B1 - Lente liquida solar. - Google Patents
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Abstract
Lente líquida solar formada por módulos (1) en configuraciones biconvexas (2) en los módulos (1) centrales de la lente, pasando a ser planoconvexas (3) y, finalmente, concavoconvexas (6) en los módulos (1) extremos de la misma, en transición suave y estando minimizadas todas sus crestas o surcos, así como disponiéndose plana e inclinada hacia el eje óptico la cara vertical, de unión de las facetas superior e inferior de los módulos (1), eliminando la aberración esférica por incorporación en los módulos (1) de fluidos refractantes con diferente índice de refracción y volumen muy reducido, en construcción con mínimo espesor y peso.
Description
Lente líquida solar.
La presente invención se refiere a una lente
concentradora de energía solar, caracterizada por su construcción
sin aberración esférica o geométrica, así como por ser básicamente
biconvexa y estar formada por diversos recipientes en los que se
aloja un fluido refractante. Esta lente, sensiblemente plana
dispone de dimensiones y formas adecuadas a la distancia focal y
tipo de foco predefinido, a fines de minimizar las pérdidas
ópticas.
La utilización de lentes convencionales para la
captación de la energía solar, presenta graves inconvenientes,
debido fundamentalmente a su alto coste y elevado peso lo que
dificulta la construcción de lentes de gran tamaño para captar gran
cantidad de energía lumínica solar. Por otra parte para obtener un
alto rendimiento de la energía solar, es necesario el empleo del
denominado "Cuerpo Negro", para lo cual se precisa de una
altísima calidad óptica, imposible de obtener con las lentes
ordinarias.
El "Cuerpo Negro", es en esencia un recinto
perfectamente hermético y aislado térmicamente, para evitar la
fuga del calor interno, en el que se ha practicado un orificio
(ventana), de reducidas dimensiones, por el que penetra un haz de
luz de la máxima intensidad posible.
La lente Fresnel, inventada a comienzos del
siglo XIX, se caracteriza por ser una lente delgada y con
posibilidad de gran tamaño, la cual ha llegado hasta nuestros días
sin que se haya realizado ninguna mejora de sus características
ópticas que permitan un grado de concentración aceptable para la
utilización como colectores de energía solar de grandes dimensiones
y de pequeña distancia focal.
Cada una de las zonas, anillos o coronas que la
integran proceden de la sección de una lente planoconvexa y tiene
el ángulo de curvatura de la parte correspondiente de la apertura
de la lente de la cual procede, dando así lugar a la lente
Fresnel.
La lente Fresnel tiene una escasa calidad
óptica, gran aberración esférica, numerosas pérdidas lumínicas por
causa de su morfología, gran imprecisión focal y elevado coste; en
consecuencia, sólo se emplea en funciones en las que la precisión
óptica no es necesaria, lo que limita notablemente su campo de
aplicación.
La experiencia acumulada en el desarrollo de la
lente líquida modulada sin aberración esférica, ha posibilitado la
aplicación de técnicas similares para resolver los graves problemas
que presenta la lente Fresnel.
La Lente líquida solar se obtiene como resultado
de introducir una serie de modificaciones y rectificaciones en la
lente Fresnel para solventar los problemas que presenta la misma en
lo relativo a la concentración de la energía solar, estos son:
El alto coste de la lente Fresnel se debe
fundamentalmente a su laborioso proceso de fabricación,
generalmente de vidrio macizo, con elevado peso.
Esto se solventa mediante la modulación de los
anillos o facetas de la lente Fresnel, en pequeños recipientes que
contienen un fluido refractante transparente, líquido, semilíquido
o solidificable, de forma adecuada y distinta para cada recipiente,
que configuran cada zona, anillo o corona y el conjunto de ellos
forman la lente en su totalidad, con lo que quedan resueltos estos
inconvenientes.
La construcción de estos recipientes, se
realizará mediante un proceso similar al utilizado en la industria
para la fabricación de botellas y otros recipientes, para lo que se
emplean procesos de moldeado, inyección, extrusión, etc. y el uso
de diferentes tipos de matriceria para darles forma, según se trate
de lentes circulares o cilíndricas.
Las pérdidas lumínicas en la lente de Fresnel se
producen en la superficie superior de la misma, las cuales están
evaluadas en un 30% de su capacidad total de captación
aproximadamente.
Estas pérdidas son debidas tanto al ángulo de la
facetas superiores como al hecho de eliminar la curvatura
superior, sustituyéndola por un tramo plano y al redondeo de las
esquinas de las zonas planas.
Al objeto de minimizar estas pérdidas, se reduce
progresivamente la pendiente de la curvatura de la faceta superior
de cada una de los vasos longitudinales, anillos o coronas, la
misma para las que integran cada anillo, de modo que la altura de
los respectivos escalones queda notablemente reducida, lográndose,
con esta solución, que las pérdidas por este concepto sean
inferiores al 3% de la capacidad total de captación lumínica.
La baja calidad óptica y aberraciones que
presenta la lente Fresnel, generan una alta dispersión de la luz
captada, en torno al foco teórico de la lente.
Al objeto de subsanar estos inconvenientes, se
han llevado a cabo las siguientes actuaciones:
a) En primer lugar, se sustituye su parte
inferior plana por tramos de curvatura, que difieren en su radio y
pendiente para cada zona, anillo o corona, al objeto de lograr la
desviación adecuada de cada rayo óptico en forma precisa.
b) En segundo lugar, se modifica el índice de
refracción del fluido en cada una de las zonas, anillos o coronas
que lo precisen, al objeto de que la pendiente de la curvatura
inferior sea la menor posible y en consecuencia reducir el espesor
de los recipientes.
Tanto el radio de curvatura de cada faceta
superior e inferior, como el índice de refracción, ha de ser
calculado con precisión para cada zona, anillo o corona, al objeto
de que la concentración sea óptima en el foco.
Las citadas modificaciones afectan de forma
notable la estructura clásica de la lente Fresnel, optimizando sus
cualidades ópticas. La solar así obtenida posee las siguientes
ventajas:
a) Coste de producción muy reducido y mínimo
peso.
b) Pérdida de energía lumínica por reflexión,
inferior al 3%.
c) Perfecta convergencia lumínica en el foco, al
poder dirigir los rayos lumínicos con absoluta precisión.
d) Eliminación de la aberración esférica con
óptimo factor de concentración.
e) Es sensiblemente plana, debido a que las
zonas, anillos o coronas que la componen se aproximan a un mismo
plano horizontal.
Los recipientes que componen cada anillo o
corona de la lente líquida solar de forma circular, son idénticos
entre sí, con facetas superior e inferior curvas, que genera un
foco circular. Este tipo de lente tiene su origen al proyectar los
tramos de curvatura sobre la base plana de una lente convencional
esférica plano convexa.
Los recipientes que componen cada zona lineal de
la lente líquida solar de forma rectangular, son idénticos entre
si, con facetas superior e inferior curvas, que genera un foco
lineal. Este tipo de lente tiene su origen al proyectar los tramos
de curvatura sobre la base plana de una lente convencional
cilíndrica plano convexa.
La lente líquida solar adopta una configuración
con doble curvatura para cada zona, anillo o corona, una curvatura
en la parte superior cuyo radio puede ser el mismo para diferentes
zonas, anillos o coronas, y otra curvatura inferior cuyo radio será
generalmente diferente para cada zona, anillo o corona, que
dependerá del alejamiento al eje óptico y del índice de refracción
del fluido de cada zona, anillo o corona, y un doble escalonado
respecto al plano horizontal, muy pequeño por la parte superior
para minimizar las pérdidas lumínicas, y más prominente por la
parte inferior para lograr una perfecta convergencia de la luz
solar.
Se complementa la presente memoria descriptiva,
con un juego de planos, ilustrativos del ejemplo preferente y nunca
limitativo de la invención.
La Figura 1 es una vista en alzado de la lente
líquida solar de la invención, en su ejecución lineal rectangular,
observándose en la misma su ligera curvatura convexa externa, cuya
flecha (a) viene determinada por la altura respecto a su posición
teórica plana.
La Figura 2 es una sección del alzado del
extremo lateral de esta lente lineal rectangular.
A la vista de lo anteriormente enunciado, la
presente invención se refiere a una nueva lente líquida solar, la
cual está formada por diversos recipientes transparentes, en
módulos (1) de geometría adecuada, construidos con procedimientos
utilizados profusamente en la industria, tales como: inyección,
soplado, extrusión, moldeo, fundición rotativa, u otros sistemas,
utilizando materiales resistentes a la luz solar, tales como
vidrio, policarbonato, metacrilato, etc., mediante el empleo de la
matricería adecuada en cada caso, esencialmente caracterizada por la
modulabilidad de los recipientes que componen las distintas zonas,
coronas o anillos de la lente, los cuales pueden ser autoportantes
o disponer de una estructura adicional que los soporte, propiciando
la construcción de grandes lentes.
Caracteriza estos módulos como recipientes
diversos, idénticos en cada una de las zonas, anillos o coronas y
que difieren de los recipientes que componen las zonas, anillos o
coronas restantes, tanto en los radios de curvatura, como en la
pendiente de la curvatura de sus facetas superiores e
inferiores.
Caracteriza, así mismo, que las zonas, anillos o
coronas son generalmente biconvexas (2), pudiendo ser
planoconvexas (3), con una de las facetas convexa (4) y otra faceta
plana (5) o concavoconvexas (6), con una faceta cóncava (7) y otra
faceta convexa (8) en los recipientes extremos de la lente, en
transición suave, debiendo ser indeformables ante los esfuerzos a
que puedan estar sometidos y estando estas zonas, anillos o
coronas dispuestas en un mismo plano, prácticamente horizontal.
Caracteriza a la lente líquida solar que la cara
vertical de los recipientes, que une las facetas superior e
inferior, es plana e inclinada hacia el eje óptico, siguiendo la
trayectoria de la luz solar al objeto de evitar la pérdidas
lumínicas por interferencia, así como que al objeto de posibilitar
el seguimiento solar, en su giro horizontal y vertical, la
estructura portante, en su caso, estará situada en las zonas
ópticamente neutras, coincidentes con las caras verticales, por lo
que no generan pérdidas adicionales de energía.
Caracteriza especialmente que las crestas o
surcos que forman las facetas de la lente Fresnel, han sido
minimizadas, al disminuir la pendiente de la curva de cada una de
las facetas de esta lente Fresnel, receptora de una serie de
modificaciones estructurales, que le confieren una altísima calidad
óptica, mediante sustitución de su cara inferior plana, por
superficies curvas en cada zona, anillo o corona, que permiten la
perfecta convergencia de la luz solar captada.
Caracteriza la eliminación de la aberración
esférica, por disponer de fluidos transparentes en su interior cuyo
índice de refracción crece en cada zona, anillo o corona,
progresivamente desde el eje óptico hacia los bordes de la lente,
propiciando una perfecta concentración de la luz solar en el
foco.
Caracteriza también el reducido volumen del
fluido refractante contenido en cada uno de los recipientes, que
permite su construcción con poco espesor, reduciendo costes y
peso.
No altera la esencialidad de esta invención
variaciones en materiales, forma, tamaño y disposición de los
elementos componentes, descritos de manera no limitativa, bastando
ésta para proceder a su reproducción por un experto.
Claims (7)
1. Lente líquida solar, de entre las lentes
Fresnel formadas por diversos recipientes transparentes construidos
por inyección, soplado, extrusión, moldeo, fundición rotativa, u
otros, en vidrio, policarbonato, metacrilato, etc., en construcción
con mínimo espesor y peso, esencialmente caracterizada por
su modulabilidad de modo que estos módulos (1) están constituidos
como recipientes diversos y son idénticos en cada una de las
zonas, anillos o coronas y, sin embargo, difieren de los módulos
(1) que componen las zonas, anillos o coronas restantes, tanto en
los radios de curvatura, como en la pendiente de la curvatura de
sus facetas superiores e inferiores, en configuraciones biconvexas
(2) en los módulos (1) centrales de la lente, pasando a ser
planoconvexas (3) con una de las facetas convexa (4) y otra faceta
plana (5), y finalmente, concavoconvexas (6) en los módulos (1)
extremos de la misma, con una faceta cóncava (7) y otra faceta
convexa (8), en transición suave y todos ellos indeformables ante
los esfuerzos y estando estas zonas, anillos o coronas dispuestas
en un mismo plano, prácticamente horizontal, si bien con una
ligera curvatura convexa externa, de flecha (a) y estando
minimizadas todas sus crestas o surcos, así como disponiéndose
plana e inclinada hacia el eje óptico la cara vertical, de unión de
las facetas superior e inferior de los módulos (1) y, finalmente,
por la eliminación de la aberración esférica, por incorporación en
los módulos (1) de fluidos refractantes con diferente índice de
refracción y volumen muy reducido.
2. Lente líquida solar, según la reivindicación
anterior, caracterizada porque los módulos (1) son
autoportantes o bien disponen de una estructura adicional que los
soporte.
3. Lente líquida solar, según las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la cara
vertical de los módulos (1), sigue la trayectoria de la luz solar,
evitando las pérdidas lumínicas por interferencia, así como dispone
de una estructura portante situada en las zonas ópticamente
neutras, coincidentes con las caras verticales.
4. Lente líquida solar, según las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque para
minimizar las crestas o surcos se disminuye la pendiente de la
curva de cada una de las facetas de la lente Fresnel.
5. Lente líquida solar, según las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque para la
eliminación de la aberración esférica, los fluidos transparentes
del interior de los módulos (1) disponen de un índice de refracción
creciente en cada zona, anillo o corona, progresivamente desde el
eje óptico hacia los bordes de la lente.
6. Lente líquida solar, según las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por sustituir las
configuraciones concavoconvexas (6) en los módulos (1) extremos de
la lente por otras planoconvexas (3).
7. Lente líquida solar, según las
reivindicaciones anteriores 1ª a la 5ª, caracterizada por
sustituir las configuraciones planoconvexas (3) y concavoconvexas
(6) en los módulos (1) extremos de la lente por otras biconvexas
(2).
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Non-Patent Citations (1)
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| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 001, nº 073 (E-029), 14.07.1997 & JP 52010151 A (NANGUCHI AKIRA et al.) 26.01.1997, resumen; figuras 3,4. * |
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