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B1

19 OFICINA ESPAÑOLA DEPATENTES Y MARCAS

ESPAÑA 11

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Número de publicación: 2 527 969Número de solicitud: 201331199

51 Int. CI.:

H01L 31/052 (2014.01)

H02S 40/22 (2014.01)

F24J 2/06 (2006.01)

G02B 5/32 (2006.01)

12 PATENTE DE INVENCIÓN B1

54 Título: Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico con holografía incorporada

73 Titular/es:

INSTITUTO HOLOGRÁFICO ANDALUZ, S.L.(100.0%)PT Tecnobahía, Edif. RETSE, Crtra. Sanlúcar, km.711500 El Puerto de Santa María (Cádiz) ES

72 Inventor/es:

CALO LÓPEZ, Antonio;VILLAMARÍN VILLEGAS, Ayalid Mirlydeth yRODRÍGUEZ SAN SEGUNDO, Hugo José

74 Agente/Representante:

CARPINTERO LÓPEZ, Mario

22 Fecha de presentación:

01.08.2013

43 Fecha de publicación de la solicitud:

02.02.2015

Fecha de la concesión:

16.11.2015

45 Fecha de publicación de la concesión:

23.11.2015

57 Resumen:Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico conholografía incorporada.Se presenta un panel solar con cavidades oestructuras unitarias tridimensionales (3D) realizadoenteramente en materiales plásticos, y aplicable tantoa panel solar térmico como a módulo solarfotovoltaico. En el primero, la estructura incorporatuberías (6) para un fluido caloportador, mientras que,en el segundo, está dotada de células solaresfotovoltaicas (8). La aplicación solar térmica utilizamateriales con muy baja conductividad térmica,mientras que la fotovoltaica se realiza con materialesde elevada conductividad térmica. La estructuraunitaria 3D aprovecha las ventajas concentradoras detres elementos ópticos: sobre la base de plástico (12)se colocan una superficie altamente reflectante (10),un holograma de reflexión (9) de amplio ancho debanda espectral y angular, y un medio ópticotransparente (11), con índice de refracción y ángulode inclinación tales que atrapa la luz en su interior porReflexión Total Interna (TIR, por sus siglas en inglés).

Se puede realizar consulta prevista por el art. 37.3.8 LP.Aviso:

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DESCRIPCIÓN Panel solar tridimensional térmico o fotovoltaico con holografía incorporada. Sector de la técnica 5 La invención se encuadra en el sector técnico de energías renovables, más concretamente en el relativo tanto a la energía solar térmica y termoeléctrica, como a la solar fotovoltaica. Estado de la técnica 10 Los paneles solares térmicos mayormente disponibles comercialmente en la actualidad son estructuras planas bidimensionales en las que la radiación solar se concentra en las tuberías portadoras de líquido mediante aletas metálicas recubiertas de pintura absorbente de radiación. La disipación de calor se evita mediante aislamiento con lana de roca o elementos similares, 15 aunque hay pérdidas por convección que no se evitan en este concepto. Todo el sistema se encuadra en un marco de aluminio, y la superficie frontal es un vidrio plano. La construcción completa tiene como resultado un elevado peso, por encima de los 30 kg para paneles de 2 m2. Estos paneles, denominados colectores planos, son relativamente baratos, y altamente 20 eficientes para climas cálidos y elevaciones moderadas de temperatura del líquido caloportador, por debajo de los 50 ºC, lo cual limita su aplicación tanto a dichas regiones climáticas, como a rangos bajos de calentamiento de líquidos. Si se desea ubicar el panel en zonas más templadas, o realizar calentamientos de líquido más elevados (por encima de 100 ºC y hasta 150 ºC), es necesario acudir a otros dos conceptos. Por un lado, los denominados 25 colectores de tubos de vacío. En ellos la tubería a calentar se introduce en un tubo de vidrio en el que se realiza el vacío, minimizando las pérdidas térmicas por convección. Por otro lado, los denominados colectores parabólicos compuestos o CPC concentran la luz en las tuberías mediante espejos pseudoparabólicos. Ambos conceptos, además del elevado peso, tienen la gran desventaja del precio, puesto que requieren bien de tecnología complicada y/o bien de 30 materiales que lo elevan hasta el doble o incluso el triple que el colector plano. Resulta conveniente por tanto, en este sector, desarrollar un producto que sea altamente eficiente en diferentes regiones y rangos de temperatura, desde 50 a 150 ºC, a la vez que resulte de mucho menor peso, así como precio comparable o inferior al colector plano. 35 En cuanto a los módulos solares fotovoltaicos, los más comunes en el mercado son planos, con un vidrio frontal, un marco de aluminio y prácticamente toda la superficie cubierta de células solares fotovoltaicas. Esta estructura resulta también pesada, sobre los 20 kg para un módulo convencional de 250 W. Dado que las células solares representan con diferencia la 40 parte más importante del coste, existe desde hace décadas un esfuerzo por reducir su superficie, sustituyéndola por elementos concentradores en teoría más baratos que logren incidir toda la luz recibida sobre ellas. Sin embargo, hasta ahora los sistemas solares fotovoltaicos de concentración, de muy diversos tipos, no han logrado una entrada significativa en el mercado. Las razones principales son el precio, así como la mayor complicación de la 45 estructura final del sistema completo, que requiere seguimiento del sol. Además, normalmente las concentraciones que se consiguen, por encima de 20 veces un sol, ó 20X, y hasta 1.000X en sistemas de alta concentración, añaden un problema: la célula solar se calienta en exceso, y se debe considerar un sistema activo o pasivo de refrigeración. Ello añade complejidad y coste a estos sistemas. 50 La holografía, como tecnología óptica, presenta muchas ventajas respecto a otros sistemas ópticos concentradores (lentes o espejos, por ejemplo): es mucho más versátil y barata que

 

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ellos. Utilizada en baja concentración, además, elimina la necesidad de seguimiento del sol, con lo que se reduce la complejidad del sistema. Ha habido previamente intentos de utilizar holografía en paneles solares. Por ejemplo, la patente US4863224, concedida a Afian et al., utiliza un holograma y un prisma o placa. Sin 5 embargo, este concentrador solar debe estar alineado con el sol, y no posee ninguna capacidad de seguimiento pasivo. Otra invención que también posee esta desventaja es la patente US5268985, otorgada a Ando et al. Comprende un holograma y una superficie de reflexión total, pero, además de necesitar seguimiento, se construye para captar luz monocromática y desaprovecha la mayor parte del espectro solar. Las patentes US5877874 y 10 US6274860, concedidas a Rosenberg, presentan un concentrador holográfico plano en el que al menos una película holográfica multiplexada, que consigue anchos de banda angulares y espectrales elevados, concentra la luz en células solares colocadas en el mismo plano. Esta invención tiene el inconveniente de tener muchas pérdidas espectrales, y la necesidad de utilizar células bifaciales, así como de colocar el sistema solar completo en un lugar plano con 15 el suelo pintado en blanco para reflejar el albedo. La patente US20080257400, concedida a Mignon y Han, presenta también un concentrador holográfico plano pero con dos superficies distintas, en las que hay hologramas de transmisión y reflexión multiplexados, con las células solares en perpendicular a dichas superficies colectoras. La gran desventaja de este diseño, además de las pérdidas por las varias reflexiones y transmisiones en los varios hologramas, es 20 la dificultad constructiva, que puede alejarlo de una fabricación a costes competitivos. Por último, la patente US20120125403, otorgada a Orlandi, propone aplicar films holográficos directamente sobre módulos fotovoltaicos convencionales, de forma que se aproveche como radiación perpendicular al plano del módulo cualquiera incidente desde distintos ángulos. Este concepto, si bien muy comercializable por la escasa intromisión en el diseño original, no reduce 25 los factores del peso ni del coste de fabricación de los módulos actuales. Ninguna de las anteriores invenciones tiene por objeto reducir el peso de los paneles, un factor importante tanto en el coste, como en la dificultad de montaje (lo cual también incide en el coste de la energía solar como concepto global). La presente invención utiliza materiales 30 plásticos, ampliamente disponibles comercialmente, para la construcción de los paneles. Además, combina no sólo uno o dos, sino hasta tres elementos ópticos para la concentración, lo cual aumenta significativamente la colección del espectro solar. Y ello dentro de un coste de producción industrial incluso menor que los paneles convencionales actuales. 35 Explicación de la invención El estudio de estado del arte delata que el gran problema sufrido en la implementación de la holografía en aplicaciones solares, tanto térmicas como fotovoltaicas, es la colección de la mayor parte del espectro solar posible. Ello se refiere tanto a la variación de ángulos de 40 incidencia a lo largo de las distintas estaciones anuales, como al amplio intervalo de longitudes de onda energéticamente significativas que es necesario recolectar. En cuanto a longitudes de onda, para realizar una colección de una parte significativa del espectro solar, el holograma debería ser capaz de colectar al menos la región entre los 500 45 nanómetros (nm) y los 1.100 nm. Esta porción contiene el 70 por ciento de toda la energía del espectro solar. Más ideal sería, aún, colectar entre los 400 nm y los 1.200 nm, es decir, el 80 por ciento del total del espectro. Sin embargo, los hologramas actuales, especialmente los de reflexión, son capaces de colectar, por cada red de difracción, un máximo de 300 nm, y ello mediante procesos especiales. Por tanto, serán necesarias al menos dos redes de difracción 50 superpuestas, es decir, multiplexadas, para captar el mínimo del 70 por ciento exigido. Pero además se tienen que colectar esas longitudes de onda a lo largo de todo el año, y desde la mañana hasta la tarde. Por lo general, en un amplio rango de latitudes terrestres, la variación

 

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anual de ángulos de incidencia de la luz solar se mantiene en aproximadamente 60º. Como se ve en la Figura 1, una superficie (1) inclinada a latitud recibirá en invierno la radiación (2) procedente de un ángulo bajo, mientras que en verano recibirá la radiación (3) en un ángulo más elevado. La radiación (4) en primavera y otoño se recibirá con un ángulo muy cercano a la perpendicular. La variación angular entre (2) y (3) son aproximadamente los 60º mencionados. 5 Los hologramas de reflexión son capaces de captar una variación máxima de ±15º, por lo que, en este caso, también son necesarias al menos dos redes de difracción multiplexadas. Junto con los requerimientos de longitud de onda, se necesitan al menos cuatro redes multiplexadas. Dado que los materiales holográficos pierden eficiencia según aumenta el número de redes multiplexadas, este mínimo de cuatro redes se convierte también en un máximo impuesto por 10 la física del material. Es decir, el holograma no debe captar menos, pero tampoco puede captar más de lo mencionado anteriormente, si no se quiere perder eficiencia. Por otro lado, en una configuración plana como la de la Figura 1, se encuentra el problema adicional de que, si se quiere reducir mucho la cantidad de receptores de radiación (en la 15 Figura 1 representado como una tubería (6) en un panel solar térmico), entonces el ángulo de salida de la radiación (5) debe ser muy inclinado. Esto presenta una problemática en la construcción de hologramas: ángulos tan inclinados no son viables de obtener comercialmente sin muchas pérdidas ópticas en el holograma, especialmente por reflexión Fresnel. Este tipo de reflexión se da en cualquier superficie óptica, y es mayor cuanto mayor sea el ángulo de 20 incidencia respecto a la normal. Resulta obvio que una configuración plana del panel solar, especialmente una captación plana por parte del holograma, tal y como se presenta en la mayoría de soluciones mencionadas en el estado de la técnica, resulta insuficiente y siempre obtendrá rendimientos limitados. 25 Es por ello que la presente invención plantea como solución una estructura tridimensional repetida varias veces, cuya estructura unitaria 3D se puede observar, en sección frontal, en la Figura 2 para el caso de panel solar térmico. En ella, el receptor de radiación (6) es una tubería, por ejemplo de cobre, y se encuentra en el centro de una estructura pseudoparabólica 30 formada por varios planos o curvas (7) con distinta inclinación entre sí. La Figura 3, equivalente a la Figura 2, representa el módulo solar fotovoltaico, donde el receptor de radiación (8) es en este caso una célula solar fotovoltaica y se acomoda en el fondo de la estructura unitaria 3D. Se consigue así un sistema en el que los receptores de radiación (6) u (8) pueden reducirse 35 sustancialmente. Es decir, la distancia entre tuberías en un panel solar térmico puede ser mayor, así como la distancia entre ramas de células solares en un módulo solar fotovoltaico. Conviene resaltar que la estructura unitaria 3D es asimétrica, puesto que los ángulos de incidencia de la radiación solar (2) y (3) son distintos en invierno y en verano, si el panel se inclina a latitud. 40 El único inconveniente de esta configuración es que, como se observa en la Figura 4, si se proyectan los diferentes planos o curvas (7) sobre el plano de inclinación a latitud, la variación de ángulos de incidencia entre radiación de invierno (2) y radiación de verano (3) aumenta sustancialmente, de los 60º mencionados a más de 150º. Ya no es posible captar toda esa 45 variación angular con dos redes de difracción multiplexada (el 70 por ciento del ancho de banda espectral, sin embargo, sí puede seguir captándose mediante las dos redes de difracción en longitud de onda explicadas anteriormente). Debido a la incapacidad de captar toda la variación de ángulo, la presente invención no 50 solamente incorpora hologramas de reflexión (9) como elemento óptico concentrador (ver Figura 5, siempre en sección frontal), sino que se asiste de dos elementos más. Uno de ellos es una superficie altamente reflectante (10), que incluso puede tener parte aislante, como los folios aislantes utilizados en construcción. El otro es un medio óptico transparente (11), de

 

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elevada calidad óptica, tal como, por ejemplo, una silicona o un poliuretano transparente. Este medio debe tener índice de refracción n cercano al índice de refracción del material holográfico, de forma que no haya diferencia por cambio de medio al pasar la radiación de uno a otro. Queda así definida la estructura unitaria 3D del panel como sigue (ver Figura 5): 5

- Una base polimérica o de plástico (12), cuyo interior contiene los planos o curvas (7) que dan la forma pseudoparabólica de la estructura unitaria 3D del panel,

- Una superficie altamente reflectante (10), colocada sobre esta base polimérica o de plástico (12), en el interior de la estructura unitaria 3D del panel, 10

- Un holograma de reflexión con varias redes de difracción multiplexadas (9), colocado sobre la superficie altamente reflectante (10),

- Los receptores de radiación, o bien tuberías (6) o bien células solares (8), y - Un medio óptico transparente (11), que sella el interior de la estructura unitaria 3D.

15 De este modo, los tres elementos ópticos se combinan y, para captar el total de los 150 º de variación de ángulos de incidencia, trabajan de la siguiente manera:

a.) El holograma de reflexión (9) capta aproximadamente hasta los 60º centrales. Está construido de tal forma que el haz reflejado por difracción sale del holograma con un 20 ángulo mayor que el ángulo crítico del medio (11) (ver después),

b.) La superficie altamente reflectante (10) capta ángulos mayores, aproximadamente un intervalo de 20º por encima de cada lateral de los 60º centrales. Es decir, con ambos elementos, holograma (9) y superficie reflectante (10), se puede captar al menos una variación de ángulo de incidencia de 100º. Al reflejar hacia el medio (11) con el mismo 25 ángulo de salida, se garantiza que dentro del medio (11) se tiene un ángulo mayor que su ángulo crítico (ver después), y

c.) El medio (11) tiene una doble finalidad: por un lado, capta la radiación incidente con ángulos mayores a los 100º centrales y los refleja por reflexión Fresnel, dirigiéndolos hacia otro plano o curva (7) de la base de plástico (12), donde ya es captada o bien por 30 el holograma (9) o bien por la superficie reflectante (10). Por otro lado, el medio (11) se construye con un ángulo no paralelo a los planos o curvas (7), y mayor que ellos (ver párrafo siguiente).

De este modo, en el medio (11) se asegura que toda la radiación devuelta que provenga o bien 35 por difracción del holograma (9), o bien por reflexión de la superficie reflectante (10), no salga del medio, ya que incide en su superficie interna con un ángulo mayor que el ángulo crítico. La radiación es así devuelta por Reflexión Total Interna (TIR, por sus siglas en inglés) al interior del medio (11), donde vuelven a trabajar o bien el holograma (9) o bien la superficie reflectante (10), sucesivamente hasta alcanzar el receptor de radiación (6) (tuberías, para un panel solar 40 térmico) u (8) (células solares fotovoltaicas, para un módulo solar fotovoltaico). La TIR tiene un 100 por ciento de eficiencia, por lo que no hay pérdidas en ella. En cuanto al holograma (9) o la superficie altamente reflectante (10), las eficiencias superan el 95 e incluso el 98 por ciento, con lo que se minimizan las pérdidas en cada difracción o reflexión. Además, la estructura unitaria 3D se diseña para que el número máximo de difracciones y/o reflexiones hasta 45 alcanzar el receptor de radiación (6) u (8) no supere las tres, con lo cual las pérdidas son aún menores. Para explicar mejor estos efectos, las Figuras 6 a 8 representan distintas épocas del año, con distintos ángulos de incidencia. En una configuración no exclusiva, existen cinco planos (7) con 50 distinta inclinación, denominados (7a) a (7e). En la Figura 6, la radiación de primera hora en invierno (2) se encuentra con los planos o curvas (7a) y (7b) con un ángulo muy inclinado. En esos planos, mayoritariamente tendrá lugar

 

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reflexión Fresnel que envía la radiación a los planos o curvas (7d) ó (7e). Al entrar en el medio (11), la radiación refracta con el ángulo correspondiente. Según sea ese ángulo de entrada, la radiación será captada o bien por el holograma (9) o por la superficie reflectante (10). Al difractar, o, respectivamente, reflejar, la radiación transcurre por el medio (11) con un ángulo por encima del ángulo crítico, por lo que al llegar a la interfaz medio-aire, ocurrirá Reflexión 5 Total Interna (TIR), que enviará la radiación de nuevo al interior y se suceden varias difracciones y/o reflexiones (un máximo de 3), hasta que se alcanza el receptor de radiación (6) u (8) (en la Figura se ve el ejemplo de panel solar térmico, cuyo receptor de radiación es una tubería (6)). 10 En la Figura 7, la radiación de mediodía hora en verano (3) se encuentra con los planos o curvas (7d) y (7e) con un ángulo muy inclinado. En esos planos, mayoritariamente tendrá lugar reflexión Fresnel que envía la radiación a los planos o curvas (7a) ó (7b). Al entrar en el medio (11), la radiación refracta con el ángulo correspondiente. Según sea ese ángulo de entrada, la radiación será captada o bien por el holograma (9) o por la superficie reflectante (10). Al 15 difractar, o, respectivamente, reflejar, la radiación transcurre por el medio (11) con un ángulo por encima del ángulo crítico, por lo que al llegar a la interfaz medio-aire, ocurrirá Reflexión Total Interna (TIR), que enviará la radiación de nuevo al interior y se suceden varias difracciones y/o reflexiones (un máximo de 3), hasta que se alcanza el receptor de radiación (6) u (8) (en la Figura se ve el ejemplo de panel solar térmico, cuyo receptor de radiación es una 20 tubería (6)). En la Figura 8, la radiación de primavera u otoño (4) entra en el medio (11) y refracta con el ángulo correspondiente. Según sea ese ángulo de entrada, la radiación será captada o bien por el holograma (9) o por la superficie reflectante (10). Al difractar, o, respectivamente, reflejar, la 25 radiación transcurre por el medio (11) con un ángulo por encima del ángulo crítico, por lo que al llegar a la interfaz medio-aire, ocurrirá Reflexión Total Interna (TIR), que enviará la radiación de nuevo al interior y se suceden varias difracciones y/o reflexiones (un máximo de 3), hasta que se alcanza el receptor de radiación (6) u (8) (en la Figura se ve el ejemplo de panel solar térmico, cuyo receptor de radiación es una tubería (6)). 30 Se consigue así que la estructura unitaria 3D explicada logre captar radiación en todas las estaciones del año, y dirigirla con alta eficiencia al receptor de radiación (6) u (8). Juntando varias de estas estructuras unitarias 3D, de 8 a 10 por ejemplo, se consigue un panel solar térmico o un módulo solar fotovoltaico de potencia equivalente a los disponibles actualmente en 35 el mercado (ver Figuras 9 y 10, respectivamente). La asimetría de la estructura unitaria 3D hace que ambos lados, izquierdo y derecho, no estén a la misma altura. Sin embargo, las pérdidas por sombreado se reducen a primera hora en invierno y no llegan al 3 por ciento en el total anual. 40 Tanto la base (12), hecha de material polimérico resistente al medio ambiente, como el medio (11) hecho de material polimérico óptico resistente al medio ambiente (silicona o poliuretano, por ejemplo), pueden extruirse mediante moldeado de plástico. Aseguran una rigidez que hace innecesario un marco, y además una reducción significativa del peso. Por otro lado, la base (12), al estar realizada por extrusión a partir de un molde, puede llevar añadidos en la misma 45 extrusión todos los elementos de anclaje necesarios para fijar los paneles a las estructuras de montaje de cualquier sistema solar. También puede llevar incluidos, por ejemplo, en el caso del panel solar térmico, los huecos o cavidades necesarios para alojar las tuberías colectoras (13) de mayor diámetro, a los extremos del panel (ver Figura 11). En el módulo solar fotovoltaico, incluirá también los huecos necesarios para realizar todo tipo de interconexiones eléctricas 50 entre células. Es necesario mencionar que hay una diferencia fundamental entre un panel solar térmico y un módulo solar fotovoltaico, que afecta al presente diseño: en el primero, interesa conservar el

 

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calor dentro de la estructura, para minimizar las pérdidas y asegurar el calentamiento del líquido caloportador (se refiere a pérdidas por conducción, puesto que, al estar las tuberías completamente imbuidas en un medio sólido, las pérdidas por convección son despreciables); en el segundo, sin embargo, conviene disipar la mayor cantidad de calor posible, puesto que la eficiencia de las células solares disminuye con la temperatura de éstas. 5 En el presente diseño, esta diferencia se resuelve eligiendo diferentes materiales plásticos tanto para la base de plástico (12) como para el medio (11), en todo caso resistentes al medio ambiente. En concreto, para un panel solar térmico, interesan materiales plásticos con una conductividad térmica κ muy baja, por ejemplo alrededor de los 0,02-0,03 W·m-1·K-1. Para un 10 módulo solar fotovoltaico es aplicable el concepto contrario. Así, para los módulos solares fotovoltaicos, los materiales plásticos que componen tanto base de plástico (12) como medio (11) deben tener una conductividad térmica por ejemplo superior a 0,05 W·m-1·K-1, e incluso a 0,07 W·m-1·K-1. 15 Descripción de los dibujos Figura 1. Variación de ángulos de radiación solar incidente entre invierno (2) y verano (3) sobre una superficie (1) inclinada a latitud. La radiación solar a primera hora en invierno (2) incide sobre la superficie (1) con un ángulo más bajo, mientras que la radiación solar a mediodía en 20 verano (3) incide sobre esa misma superficie (1) con un ángulo más elevado. La diferencia entre ambos ángulos es de aproximadamente 60º para muchas latitudes. La radiación en primavera u otoño (4) cae prácticamente perpendicular sobre dicha superficie (1). Si se desea incidir dicha radiación sobre un receptores de radiación (6) lo suficientemente separados entre sí como para hacer viable económicamente un panel solar térmico o módulo solar fotovoltaico, 25 entonces el ángulo de salida de la radiación (5) debería ser muy inclinado, algo muy caro y complicado en la tecnología holográfica actual. Figura 2. Sección frontal de la estructura unitaria 3D del panel solar térmico propuesto. Varios planos o curvas (7), con diferentes inclinaciones entre sí, forman una estructura 30 pseudoparabólica, cuyo centro está ocupado por el receptor de radiación, en este caso una tubería (6). Figura 3. Sección frontal de la estructura unitaria 3D del módulo solar fotovoltaico propuesto. Varios planos o curvas (7), con diferentes inclinaciones entre sí, forman una estructura 35 pseudoparabólica, cuyo fondo está ocupado por el receptor de radiación, en este caso células solares fotovoltaicas (8). Figura 4. Representación de la variación de ángulo de la radiación incidente entre invierno (2) y verano (3), si los distintos planos o curvas (7) se proyectan sobre el plano inclinado a latitud. 40 Esta variación de ángulos supera los 150º. Figura 5. Sección frontal de la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico), con los distintos elementos que lo componen: una base de plástico (12) cuya superficie interior la conforman los planos o curvas (7) con distinta inclinación entre sí; una superficie altamente 45 reflectante (10) recubriendo dichos planos o curvas (7); un holograma de reflexión (9) con varias redes de difracción multiplexadas, que recubre la superficie reflectante (10), y un medio óptico transparente (11) que sella todo el conjunto. En el interior se encuentra el receptor de radiación, en este caso una tubería (6). 50 Figura 6. Camino óptico de la radiación incidente a primera hora en invierno (2) al llegar a la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico). En los planos (7a) y (7b), dicha radiación (2) se refleja por Fresnel directamente en la superficie del medio (11), hacia los planos (7d) ó (7e). Al llegar en estos al medio (11), refracta con el ángulo correspondiente, y se

 

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encuentra con el holograma de reflexión (9) o con la superficie altamente reflectante (10). Estos difractan o reflejan, respectivamente, la radiación de nuevo hacia el medio (11) con un ángulo superior al ángulo crítico, de modo que se produce TIR dentro de éste. Las sucesivas difracciones y/o reflexiones conducen la radiación hacia el receptor de radiación (en este caso una tubería (6)). 5 Figura 7. Camino óptico de la radiación incidente a mediodía en verano (3) al llegar a la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico). En los planos o curvas (7d) y (7e), dicha radiación (3) se refleja por Fresnel directamente en la superficie del medio (11), hacia los planos o curvas (7a) ó (7b). Al llegar en estos al medio (11), refracta con el ángulo 10 correspondiente, y se encuentra con el holograma de reflexión (9) o con la superficie altamente reflectante (10). Estos difractan o reflejan, respectivamente, la radiación de nuevo hacia el medio (11) con un ángulo superior al ángulo crítico, de modo que se produce TIR dentro de éste. Las sucesivas difracciones y/o reflexiones conducen la radiación hacia el receptor de radiación (en este caso una tubería (6)). 15 Figura 8. Camino óptico de la radiación incidente en primavera u otoño (4) al llegar a la estructura unitaria 3D del panel solar (en este caso térmico). En todos los planos o curvas (7a) a (7e), al llegar al medio (11), refracta con el ángulo correspondiente, y se encuentra con el holograma de reflexión (9) o con la superficie altamente reflectante (10). Estos difractan o 20 reflejan, respectivamente, la radiación de nuevo hacia el medio (11) con un ángulo superior al ángulo crítico, de modo que se produce TIR dentro de éste. Las sucesivas difracciones y/o reflexiones conducen la radiación hacia el receptor de radiación (en este caso una tubería (6)). Figura 9. Sección frontal de un panel solar térmico completo compuesto por varias estructuras 25 unitarias 3D (en este caso ocho). El receptor de radiación en un panel solar térmico son tuberías (6). Figura 10. Sección frontal de un módulo solar fotovoltaico completo compuesto por varias estructuras unitarias 3D (en este caso ocho). El receptor de radiación en un módulo solar 30 fotovoltaico son células solares fotovoltaicas (8). Figura 11. Posible modo de realización, no exclusivo, de un panel solar térmico. Ocho estructuras unitarias 3D incluyen ocho tuberías (6) de por ejemplo 8 mm de diámetro exterior, soldadas a dos tuberías recolectoras (13) de mayor diámetro, por ejemplo 18 mm. 35 Figura 12. Posible modo de realización, no exclusivo, de un módulo solar fotovoltaico. Ocho estructuras unitarias 3D incluyen ocho ramas de células fotovoltaicas (8), de por ejemplo 31x125 mm cada una. La interconexión entre ellas es muy versátil debido a huecos en la base de plástico (12) que permiten cualquier tipo de interconexión entre células. 40 Modos de realización de la invención En una configuración preferida, pero no exclusiva, el panel solar, tanto térmico como fotovoltaico, consistirá de ocho estructuras unitarias 3D como las explicadas entre las Figuras 2 45 y 10. Las medidas de dichas estructuras serán de aproximadamente 80 mm de alto por 120 mm de ancho, y una longitud de 1,5 metros. Así, el panel solar tendrá unas medidas aproximadas de 1.500x1.000x80 mm, es decir, muy cercanas a las magnitudes de cualquier panel estándar. Tanto la base de plástico (12) como el medio que recubre y sella (11) están hechos de materiales plásticos resistentes al medio ambiente, y además la base puede 50 amoldarse a cualquier forma, con lo que se reduce mucho material y el peso total puede reducirse a más de la mitad del de un panel comercial estándar.

 

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La base de plástico (12), al poder estar realizada en un molde, puede incluir todos los elementos necesarios, incluyendo anclajes para el sistema de montaje, o huecos para la interconexión versátil de las células solares fotovoltaicas, tanto en serie como en paralelo. Asimismo, podrá realizarse, para el caso del panel solar térmico, con las extensiones necesarias para acoger las tuberías colectoras (13) (ver Figura 11). 5 En el caso de panel solar térmico, los receptores de radiación son tuberías (6). En el modo de realización explicado, pueden ser de cobre, de 8 mm de diámetro exterior. Las tuberías colectoras (13) son de mayor diámetro, por ejemplo 18 mm. Al ser ocho el número total de las tuberías (6), la capacidad alcanzada de calefacción de fluido es similar a la de un colector 10 plano convencional. Sin embargo, su eficiencia se verá mejorada para calentar fluidos a altas temperaturas, debido a que el sellado con el medio (11) minimiza las pérdidas por convección. Además, la construcción con materiales de baja conductividad térmica reduce también significativamente las pérdidas por conducción. 15 El módulo solar fotovoltaico, en este modo de realización, puede consistir en una matriz de 120 células de 31x125 mm, unidas en ocho ramas de 15 células cada una. El módulo total tendrá por tanto unas dimensiones aproximadas de 1.800x1.000x80 mm. Si se utilizan células convencionales del 17 por ciento de eficiencia, esta configuración consigue un módulo de una potencia nominal de aproximadamente 250 W. Para conseguir los mismos parámetros 20 eléctricos que un módulo fotovoltaico convencional de la misma potencia, la interconexión deberá hacerse con cuatro ramas en paralelo, conectadas en serie con las siguientes cuatro ramas.

 

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REIVINDICACIONES

1. Panel solar térmico o fotovoltaico caracterizado por estar compuesto por una base polimérica (12) que forma una o varias cavidades o estructuras unitarias 3D, una superficie altamente reflectante (10) recubriendo el interior de estas cavidades, un holograma (9) recubriendo a su vez la superficie altamente reflectante (10), un receptor 5 de radiación, que o bien son tuberías (6) en el caso de panel solar térmico, o células solares fotovoltaicas (8) en el caso de módulo solar fotovoltaico, y un medio óptico transparente (11) con índice de refracción n similar al del material holográfico (9) y que recubre y sella el conjunto de la estructura unitaria 3D.

10 2. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que la base

polimérica (12), que puede ser extrusionada a partir de moldes, incluye en su forma todos los posibles anclajes a sistemas de montaje, así como extensiones adicionales, como las conformaciones para alojar los tubos colectores (13) en paneles solares térmicos, o los huecos necesarios para realizar cualquier tipo de interconexión eléctrica 15 entre las células solares (8) en módulos solares fotovoltaicos.

3. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que las

unidades estructurales 3D de la base polimérica (12) están configuradas por un número variable de distintos planos o curvas (7), con distinta inclinación entre sí. 20

4. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que la radiación solar incidente es capturada y dirigida hacia los receptores de radiación (6) u (8), según los ángulos de incidencia, por un elemento óptico distinto: aproximadamente hasta 60º son capturados por el holograma (9), que ha de ser diseñado 25 correspondientemente con las redes de difracción adecuadas; aproximadamente otros 40º son capturados por la superficie altamente reflectante (10); y, el resto, son reflejados dentro de la estructura unitaria 3D mediante reflexión Fresnel en la interfaz del medio (11) con el aire.

30 5. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que el

holograma (9) está diseñado para difractar con ángulos de salida mayores que el ángulo crítico del medio (11) con el aire.

6. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que el 35

medio óptico transparente (11), que también puede ser extrusionado a partir de moldes, tiene un ángulo de inclinación distinto, más abierto, al de los planos o curvas (7), de forma que tanto la radiación difractada por el holograma (9), como la reflejada por la superficie altamente reflectante (10), se re-dirigen al medio (11) con un ángulo mayor que el ángulo crítico de este con aire, de modo que dicha radiación queda capturada 40 dentro del medio (11) por Reflexión Total Interna (TIR).

7. Panel solar térmico o fotovoltaico según reivindicación 1, caracterizado por que tanto la

base polimérica (12) como el medio óptico transparente (11) están realizados en materiales poliméricos resistentes al medio ambiente con una conductividad térmica baja 45 en el caso de paneles solares térmicos, y alta en el caso de los módulos solares fotovoltaicos, asegurando de este modo que se conserva y se disipa el calor por conducción, respectivamente.

 

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OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA

21 N.º solicitud: 201331199

22 Fecha de presentación de la solicitud: 01.08.2013

32 Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

56 Documentos citados

Reivindicaciones

afectadas

A

A

A

A

A

WO 2013078209 A1 (PRISM SOLAR TECHNOLOGIES INC et al.) 30.05.2013, párrafos [33-35]; figuras 3A,3B. US 5877874 A (ROSENBERG GLENN A) 02.03.1999, columna 8, líneas 6-60; figuras 1-4. US 2008257400 A1 (MIGNON GEORGE V et al.) 23.10.2008, párrafos [24,29]; figura 4. US 4490981 A (MECKLER MILTON) 01.01.1985, columna 5, línea 4 – columna 6, línea 22; figuras 1,3. WO 2008071180 A2 (SOLARTEC AG et al.) 19.06.2008, figuras & resumen de la base de datos Epodoc. Recuperado de Epoque; AN-DE-2007002255-W.

1 1 1 1 1

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica

O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

El presente informe ha sido realizado

para todas las reivindicaciones

para las reivindicaciones nº:

Fecha de realización del informe 19.09.2014

Examinador J. Merello Arvilla

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INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201331199

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD

H01L31/052 (2014.01) H02S40/22 (2014.01) F24J2/06 (2006.01) G02B5/32 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F24J, H02S, H01L, G02B Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201331199

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 19.09.2014 Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Reivindicaciones 1-7 SI Reivindicaciones NO Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Reivindicaciones 1-7 SI Reivindicaciones NO

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986). Base de la Opinión.- La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201331199

1. Documentos considerados.- A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

Documento Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

D01 WO 2013078209 A1 (PRISM SOLAR TECH. INC et al.) 30.05.2013

D02 US 5877874 A (ROSENBERG GLENN A) 02.03.1999

D03 US 2008257400 A1 (MIGNON GEORGE V et al.) 23.10.2008

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración Los documentos D01, D02 y D03 divulgan invenciones relativas a concentradores holográficos planos que constituyen estado de la técnica relativo al objeto inventivo propuesto en la reivindicación 1 estudio si bien no afectan a la novedad ni a la actividad inventiva del mismo. En efecto, la configuración de los paneles solares divulgados en dichos documentos difiere de la propuesta en la reivindicación 1 de la solicitud de patente P201331199 en:

- El panel solar de la solicitud de patente en estudio presenta una base polimérica que forma una o varias cavidades o estructuras unitarias 3D. De acuerdo con la reivindicación 1 en estudio, las cavidades formadas en la base se encuentran recubiertas de una superficie altamente reflectante y ésta a su vez recubierta de un holograma. Por tanto estamos antes un concentrador holográfico que no es plano a diferencia de los divulgados por los documentos citados del estado de la técnica. - La distribución de capas base polimérica con cavidades/superficie altamente reflectante/holograma/receptor/medio óptico transparente no se encuentra divulgada ni sugerida en ninguno de los documentos citados.

No se considera obvio para un experto en la materia que partiera del estado de la técnica indicado el llegar a concebir un panel solar térmico o fotovoltaico de acuerdo con el propuesto en la reivindicación 1 de la solicitud de patente P201331199. Por tanto la invención, de acuerdo con la primera reivindicación de la solicitud de patente, por no encontrarse recogida en el estado de la técnica es nueva (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y, por no resultar del mismo de una manera obvia para un experto en la materia, tiene actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.). Por contar la primera reivindicación con novedad y actividad inventiva las reivindicaciones dependientes de la misma, es decir las reivindicaciones 2 a 7, presentan igualmente novedad (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.).

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