(12) SOLICITUD INTERNACIONAL PUBLICADA EN VIRTUD DEL TRATADO DE COOPERACION EN MATERIADE PATENTES (PCT)

(19) Organización Mundial de laPropiedad IntelectualOficina internacional

(10) Número de Publicación Internacional(43) Fecha de publicación internacional

5 de febrero de 2015 (05.02.2015) WWO 2015/015041 Al

P C T

(51) Clasificación Internacional de Patentes: (74) Mandatario: CARPINTERO LOPEZ, Mario; Herrero &H01L 31/052 (2014.01) F24J2/00 (2014.01) Asociados, S.L., Alcalá, 35, E-28014 Madrid (ES).

(21) Número de la solicitud internacional: (81) Estados designados (a menos que se indique otra cosa,PCT/ES20 14/070630 para toda clase de protección nacional admisible): AE,

AG, AL, AM, AO, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BH, BN,(22) Fecha de presentación internacional: BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CL, CN, CO, CR, CU, CZ,

1 de agosto de 2014 (01 .08.2014) DE, DK, DM, DO, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE,(25) Idioma de presentación: español GH, GM, GT, HN, HR, HU, ID, IL, IN, IR, IS, JP, KE,

KG, KN, KP, KR, KZ, LA, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LY,(26) Idioma de publicación: español MA, MD, ME, MG, MK, MN, MW, MX, MY, MZ, NA,

(30) Datos relativos a la prioridad: NG, NI, NO, NZ, OM, PA, PE, PG, PH, PL, PT, QA, RO,

P201331 199 1 de agosto de 2013 (01 .08.2013) ES RS, RU, RW, SA, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, ST, SV,SY, TH, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC,

(71) Solicitante: INSTITUTO HOLOGRÁFICO VN, ZA, ZM, ZW.ANDALUZ, S.L. [ES/ES]; P.T. Tecnobahía, EdificioReTSE, Crtra. Sanlúcar, km. 7, E-11500 El Puerto de (84) Estados designados (a menos que se indique otra cosa,

Santa María (Cádiz) (ES). para toda clase de protección regional admisible):ARIPO (BW, GH, GM, KE, LR, LS, MW, MZ, NA, RW,

(72) Inventores: CALO LÓPEZ, Antonio; P.T. Tecnobahía, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW), euroasiática (AM, AZ,Edificio ReTSE, Crtra. Sanlúcar, km. 7, E-l 1500 El Puerto BY, KG, KZ, RU, TJ, TM), europea (AL, AT, BE, BG,de Santa María (Cádiz) (ES). VILLAMARÍN CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HR, HU,VILLEGAS, Ayalid, Mirlydeth; P.T. Tecnobahía, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, MK, MT, NL, NO, PL, PT,Edificio ReTSE, Crtra. Sanlúcar, km. 7, E-l 1500 El Puerto RO, RS, SE, SI, SK, SM, TR), OAPI (BF, BJ, CF, CG, CI,de Santa María (Cádiz) (ES). RODRÍGUEZ SAN CM, GA, GN, GQ, GW, KM, ML, MR, NE, SN, TD, TG).SEGUNDO, Hugo, José; P.T. Tecnobahía, EdificioReTSE, Crtra. Sanlúcar, km. 7, E-l 1500 El Puerto de Publicada:

Santa María (Cádiz) (ES). — con informe de búsqueda internacional (Art. 21(3))

(54) Title: THREE-DIMENSIONAL THERMAL OR PHOTOVOLTAIC SOLAR PANEL WITH INTEGRAL HOLOGRAPH

(54) Título : PANEL SOLAR TRIDIMENSIONAL TÉRMICO O FOTOVOLTAICO CON HOLOGRAFIA INCORPORADA

(57) Abstract: The present invention relates to a solar panelwith 3D unitary structures or cavities that is made entirely ofplástic materials and used both in thermal and photovoltaicapplications. The assembly is lightweight free from the needfor aluminum trames or external securing systems since therigidity is assured by the structure itself. Plástic injectionfúrther allows directly incorporating a securing or grippingsystem. It also allows adding openings for inter-connectingsolar cells to one another. Each 3D unitary structureconcentrates sunlight on the end solar radiation receivers(pipes (6) or cells (8) ), covering the entire seasonal anddaily spectrum of angles of incidence, without needingactive solar tracking. The thickness of said structure is smallas a result of taking advantage of the concentratingadvantages of not only one but three optical elements: on theplástic base (12) there are placed a highly reflective surface(10), a reflection hologram (9) having a wide spectral andangular bandwidth, and a transparent optical médium ( 11)with a refractive índex and tilt angle such that it traps thelight therein by total internal reflection (TIR). Optical lossesare therefore significantly reduced and a large part of thesolar spectrum is directed towards the radiation receiver.

Fig. 5r (57) Resumen:

[Continúa en la página siguiente]

Se presenta un panel solar con cavidades o estructuras unitarias tridimensionales (3D) realizado enteramente en materialesplásticos, y aplicable tanto a panel solar térmico como a módulo solar fotovoltaico. La diferencia entre ambos casos es que, en elprimero, la estructura incorpora tuberías (6) para un fluido caloportador, mientras que, en el segundo, está dotada de célulassolares fotovoltaicas (8). También se diferencia el tipo de material con el que están construidos: aun siendo de materiales plásticoso poliméricos todo el panel en ambos casos, la aplicación solar térmica utiliza materiales con muy baja conductividad térmica paraconservar el calor, mientras que la fotovoltaica se realiza con materiales de elevada conductividad térmica precisamente paradisipar calor y evitar disminución de la eficiencia de las células por calentamiento. El conjunto resulta muy ligero, al estarrealizado en materiales plásticos, y además evita la necesidad de marcos de aluminio, o sistemas de sujeción externos, puesto quela rigidez está garantizada por la propia estructura, y la inyección en plástico permite incorporar directamente cualquier sistema desujeción o agarre. También permite añadir cualquier hueco para la interconexión de células solares. Por otro lado, cada estructuraunitaria 3D concentra la luz solar sobre los receptores finales de la radiación solar (tuberías (6) o células (8)), cubriendo todo elespectro estacional y diario de ángulos de incidencia, sin necesidad de seguimiento activo del sol. El espesor de dicha estructuraes muy reducido debido a que aprovecha las ventajas concentradoras no solamente de uno, sino de tres elementos ópticos: sobre labase de plástico (12) se colocan una superficie altamente reflectante (10), un holograma de reflexión (9) de amplio ancho de bandaespectral y angular, y un medio óptico transparente ( 11), con índice de refracción y ángulo de inclinación tales que atrapa la luz ensu interior por Reflexión Total Interna (TIR, por sus siglas en inglés). Se consigue así disminuir notablemente las pérdidas ópticasy dirigir gran parte del espectro solar hacia el receptor de radiación.

PANEL SOLAR TRIDIMENSIONAL TÉRMICO O FOTOVOLTAICO CON

HOLOGRAFÍA INCORPORADA

Sector de la técnica

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

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, 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 eficientes para climas cálidos y elevaciones moderadas de temperatura

del líquido caloportador, por debajo de los 50 °C, 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 °C y hasta 150 °C), es necesario acudir a otros

dos conceptos. Por un lado, los denominados 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 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

°C, a la vez que resulte de mucho menor peso, así como precio comparable o

inferior al colector plano.

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 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 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.

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 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 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 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 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 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 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 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.

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 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 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 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 anual de ángulos de incidencia de la luz solar se

mantiene en aproximadamente 60°. 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 60°

mencionados. Los hologramas de reflexión son capaces de captar una variación

máxima de ±15°, 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 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 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 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.

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 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 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.

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 60° mencionados a más

de 150°. Ya no es posible captar toda esa 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 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 ( 1 1), de 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):

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,

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 ( 1 1), que sella el interior de la estructura

unitaria 3D.

De este modo, los tres elementos ópticos se combinan y, para captar el total de los

150 0 de variación de ángulos de incidencia, trabajan de la siguiente manera:

a .) El holograma de reflexión (9) capta aproximadamente hasta los 60°

centrales. Está construido de tal forma que el haz reflejado por difracción

sale del holograma con un ángulo mayor que el ángulo crítico del medio ( 1 1)

(ver después),

b.) La superficie altamente reflectante (10) capta ángulos mayores,

aproximadamente un intervalo de 20° por encima de cada lateral de los 60°

centrales. Es decir, con ambos elementos, holograma (9) y superficie

reflectante (10), se puede captar al menos una variación de ángulo de

incidencia de 100°. Al reflejar hacia el medio ( 1 1) con el mismo ángulo de

salida, se garantiza que dentro del medio ( 1 1) se tiene un ángulo mayor que

su ángulo crítico (ver después), y

c .) El medio ( 1 1) tiene una doble finalidad: por un lado, capta la radiación

incidente con ángulos mayores a los 100° 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 el holograma (9) o bien por la

superficie reflectante (10). Por otro lado, el medio ( 1 1) 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 ( 1 1) se asegura que toda la radiación devuelta que

provenga o bien 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 ( 1 1),

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 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

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 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 reflexión Fresnel que envía la radiación a los planos

o curvas (7d) ó (7e). Al entrar en el medio ( 1 1), 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 ( 1 1) 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)).

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 ( 1 1), 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 ( 1 1) 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)).

En la Figura 8 , la radiación de primavera u otoño (4) entra en el medio ( 1 1) 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 radiación transcurre por el medio

( 1 1) 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)).

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 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.

Tanto la base (12), hecha de material polimérico resistente al medio ambiente,

como el medio ( 1 1) hecho de material polimérico óptico resistente al medio

ambiente (silicona o poliuretano, por ejemplo), pueden eximirse 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 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 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 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.

En el presente diseño, esta diferencia se resuelve eligiendo diferentes materiales

plásticos tanto para la base de plástico (12) como para el medio ( 1 1), 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 n K 1 . Para un 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 ( 1 1) deben tener

una conductividad térmica por ejemplo superior a 0,05 W n K 1 , e incluso a 0,07

W m K 1 .

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 verano (3) incide sobre esa misma superficie

(1) con un ángulo más elevado. La diferencia entre ambos ángulos es de

aproximadamente 60° 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, 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 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 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. Esta variación de ángulos supera los 150°.

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 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 ( 1 1) que sella todo el conjunto. En el interior se encuentra el receptor

de radiación, en este caso una tubería (6).

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 ( 1 1), hacia los planos (7d) ó (7e). Al llegar en estos al medio

( 1 1), refracta con el ángulo 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 ( 1 1) 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 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 ( 1 1), hacia los planos o curvas (7a) ó (7b). Al llegar en estos al

medio ( 1 1), refracta con el ángulo 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 ( 1 1) 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 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 ( 1 1), refracta con el ángulo

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 ( 1 1) 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 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 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.

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.

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 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 ( 1 1) están hechos de

materiales plásticos resistentes al medio ambiente, y además la base puede

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.

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).

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 plano convencional. Sin embargo, su

eficiencia se verá mejorada para calentar fluidos a altas temperaturas, debido a que

el sellado con el medio ( 1 1) minimiza las pérdidas por convección. Además, la

construcción con materiales de baja conductividad térmica reduce también

significativamente las pérdidas por conducción.

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 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.

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 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 ( 1 1) con

índice de refracción n similar al del material holográfico (9) y que recubre y

sella el conjunto de la estructura unitaria 3D.

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 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.

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 60° son capturados por el holograma

(9), que ha de ser diseñado correspondientemente con las redes de

difracción adecuadas; aproximadamente otros 40° 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

( 1 1) con el aire.

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 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 dentro del medio ( 1 1) 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 ( 1 1) están

realizados en materiales poliméricos resistentes al medio ambiente con una

conductividad térmica baja 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.

HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)

A. CLASIFICACIÓN DEL OBJETO DE LA SOLICITUD

I NV . H0 1 L3 1/052 F24J2/00De acuerdo con la Clasificación Internacional de Patentes (CIP) o según la clasificación nacional y CIP.B. SECTORES COMPRENDIDOS POR LA BÚSQUEDA

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

H0 1 L F24J

Otra documentación consultada, además de la documentación mínima, en la medida en que tales documentos formen parte de los sectorescomprendidos por la búsqueda

Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda internacional (nombre de la base de datos y, si es posible, términos debúsqueda utilizados)

EPO - I nterna l , WP I Data

C. DOCUMENTOS CONSIDERADOS RELEVANTES

Categoría* Documentos citados, con indicación, si procede, de las partes relevantes Relevante para lasreivindicaciones N°

EP 2 4 18 692 A2 ( PA LO ALTO RES CT I NC 1 - 7[US] ) 15 Febrero 2 0 12 ( 2 0 12 -02 - 15 )

párrafo [0023] ; f i gura 1 , 4 ( a )párrafo [00 14]párrafo [0052]párrafo [002 1]párrafo [0029]párrafo [0025] ; f i gura 4 a

DE 10 2008 026760 Al ( NAN00 PT I CS GMBH 1 - 7[ DE] ; S I GN ET S OLAR GMBH [ DE] )10 Deci e mbre 2009 ( 2009 - 12 - 10 )

párrafo [0055] - párrafo [0056] ;f i gura 2 d

/--

En la continuación del Recuadro C se relacionan Los documentos de familias de patentes se indicandocumentos Anexo

* Categorías especiales de documentos citados: "T" documento ulterior publicado con posterioridad a la fecha de"A" documento que define el estado general de la técnica no considerado presentación internacional o de prioridad que no pertenece al

como particularmente relevante. estado de la técnica pertinente pero que se cita por permitir la

"E" solicitud de patente o patente anterior pero publicada en la fecha de comprensión del principio o teoría que constituye la base de la

presentación internacional o en fecha posterior. invención.

"L" documento que puede plantear dudas sobre una reivindicación de "X" documento particularmente relevante; la invención reivindicada

prioridad o que se cita para determinar la fecha de publicación de otra no puede considerarse nueva o que implique una actividad

cita o por una razón especial (como la indicada). inventiva por referencia al documento aisladamente

"O" documento que se refiere a una divulgación oral, a una utilización, a una considerado.

exposición o a cualquier otro medio. "Y" documento particularmente relevante; la invención reivindicada

"P" documento publicado antes de la fecha de presentación internacional no puede considerarse que implique una actividad inventiva

pero con posterioridad a la fecha de prioridad reivindicada. cuando el documento se asocia a otro u otros documentos de lamisma naturaleza, cuya combinación resulta evidente para unexperto en la materia.

"&" documento que forma parte de la misma familia de patentes.

Fecha en que se ha concluido efectivamente la búsqueda internacional Fecha de expedición del informe de búsqueda internacional

3 0 Otubro 201 4 30/ 10/20 14Nombre y dirección postal de la Administración encargada de la Funcionario autorizadobúsqueda internacional European Patent Office, P.B. 5818 Patentlaan 2

NL - 2280 HV RijswijkTel. (+31-70) 340-2040, Chao , Oscar

N° de fax Fax: (+31-70) 340-3016 N° de teléfonoFormulario PCT/ISA/210 (segunda hoja) (Julio 2008)

C (continuación). DOCUMENTOS CONSIDERADOS RELEVANTES

Categoría* Documentos citados, con indicación, si procede, de las partes relevantes Relevante para lasreivindicaciones N°

X US 2008/185033 Al (KALEJS JURIS P [US]) 1-3,5-77 Agosto 2008 (2008-08-07)

A párrafo [0076] - párrafo [0080]; 4figura 7

US 2013/167903 Al (ASPNES ERIC D [US] ET 1-7AL) 4 Julio 2013 (2013-07-04)f i gure 3a

párrafo [0027] - rafo [0028];

figura 3apárrafo [0034]

EP 2 348 342 Al (SHARP KK [JP]) 1-727 Julio 2011 (2011-07-27)

párrafo [0050] ; figura 4d

párrafo [0052] - párrafo [0060]

US 2006/191566 Al (SCHAAFSMA DAVID T [US]) 1,431 Agosto 2006 (2006-08-31)parraTo [0021] - [0023], [0027],

[0029]; figuras 1 , 2 , 3

Formulario PCT/ISA/210 (continuación de la segunda hoja) (Julio 2008)

Información relativa a miembros de familias de patentes PCT/ES201 4/070 630

EP 2418692 A2 15 -02 -2012 EP 2418692 A2 15 -02 -2012US 2012033301 Al 09 -02 -2012

DE 102008026760 Al 1 -12 -2009 DE 102008026760 Al 1 -12 -2009EP 2301082 A2 3 -03 -2011

O 2009146845 A2 1 -12 -2009

US 2008185033 Al 07 -08 -2008 T 200935616 A 16 -08 -2009US 2008185033 Al 07 -08 -2008

O 2009099418 A2 13 -08 -2009

US 2013167903 Al 04 -07 -2013 NINGUNA

EP 2348342 Al 27 -07 -2011 CN 102122061 A 13 -07 -2011EP 2348342 Al 27 -07 -2011US 2011162712 Al 07 -07 -2011

US 2006191566 Al 31-08 -2006 NINGUNA

Formulario PCT/ISA/210 (anexo_familia de patentes) (Julio 2008)

A . CLASSIFICATION O F SUBJECT MATTER

INV. H01L31/052 F24J2/00ADD.

According to International Patent Classification (IPC) orto both national classification and IPC

B . FIELDS SEARCHED

Mínimum documentation searched (classification system followed by classification symbols)

H01L F24J

Documentation searched other than mínimum documentation to the extent that such documents are ¡ncluded ¡n the fíelds searched

Electronic data base consulted during the international search (ñame of data base and, where practicable, search terms used)

EPO-Internal , WPI Data

C . DOCUMENTS CONSIDERED TO B E RELEVANT

Category* Citation of document, with indication, where appropriate, of the relevant passages Relevant to claim No.

EP 2 418 692 A2 (PALO ALTO RES CT INC 1-7[US] ) 15 February 2012 (2012-02-15)paragraph [0023] ; f i gures 1, 4(a)paragraph [0014]paragraph [0052]paragraph [0021]paragraph [0029]paragraph [0025] ; f i gure 4a

DE 10 2008 026760 Al (NAN00PTICS GMBH 1-7[DE] ; SIGNET SOLAR GMBH [DE] )10 December 2009 (2009-12-10)paragraph [0055] - paragraph [0056] ;f i gure 2d

-/-

X| Further documents are listed in the continuation of Box C . See patent family annex.

* Special categories of cited documents :"T" later document published after the international filing date or priority

date and not in conflict with the application but cited to understand"A" document defining the general state of the art which ¡s not considered the principie ortheory underlying the invention

to be of particular relevance

"E" earlier application or patent but published o n or after the international "X" document of particular relevance; the claimed invention cannot befiling date considerad novel o r cannot be considerad to involve an inventive

"L" documentwhich may throw doubts on priority claim(s) orwhich ¡s step when the document ¡s taken alonecited to establish the publication date of another citation or other "Y" document of particular relevance; the claimed invention cannot bespecial reason (as specified) considerad to involve an inventive step when the document ¡s

"O" document referring to an oral disclosure, use, exhibition or other combined with one o r more other such documents, such combinationmeans being obvious to a person skilled in the art

"P" document published prior to the international filing date but later thanthe priority date claimed "&" document member of the same patent family

Date of the actual completion of the international search Date of mailing of the international search report

22 October 2014 30/10/2014

Ñame and mailing address of the ISA Authorized officer

European Patent Office, P.B. 5818 Patentlaan 2NL - 2280 HV Rijswijk

Tel. (+31-70) 340-2040,Fax: (+31-70) 340-3016 Chao, Oscar

C(Continuation). DOCUMENTS CONSIDERED TO BE RELEVANT

Category* Citation of document, with indication, where appropriate, of the relevant passages Relevant to olaim No.

X US 2008/185033 Al (KALEJS JURIS P [US]) 1-3,5-77 August 2008 (2008-08-07)

A paragraph [0076] - paragraph [0080] ; 4figure 7

US 2013/167903 Al (ASPNES ERIC D [US] ET 1-7

AL) 4 July 2013 (2013-07-04)figure 3aparagraph [0027] - paragraph [0028] ;figure 3aparagraph [0034]

EP 2 348 342 Al (SHARP KK [JP]) 1-7

27 July 2011 (2011-07-27)paragraph [0050]; figure 4dparagraph [0052] - paragraph [0060]

US 2006/191566 Al (SCHAAFSMA DAVID T [US]) 1,431 August 2006 (2006-08-31)paragraphs [0021] - [0023], [0027],

[0029]; figures 1 , 2 , 3

Patent document Publioation Patent family Publioationcited ¡n search report date member(s) date

EP 2418692 A2 15-02-2012 EP 2418692 A2 15-02-2012US 2012033301 Al 09-02-2012

DE 102008026760 Al 1 -12 -2009 DE 102008026760 Al 1 -12 -2009EP 2301082 A2 3 -03 -2011O 2009146845 A2 1 -12 -2009

US 2008185033 Al 07-08 -2008 T 200935616 A 16 -08 -2009US 2008185033 Al 07-08 -2008O 2009099418 A2 13 -08 -2009

US 2013167903 Al 04 -07 -2013 N0NE

EP 2348342 Al 27-07 -2011 CN 102122061 A 13 -07 -2011EP 2348342 Al 27-07 -2011US 2011162712 Al 07-07 -2011

US 2006191566 Al 31-08 -2006 N0NE