ES3037284A1 - Módulo fotovoltaico semitranslúcido de generación de electricidad e iluminación, elemento arquitectónico que lo comprende y proceso de fabricación - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un módulo fotovoltaico semitranslúcido de generación de electricidad e iluminación, elemento arquitectónico que lo comprende y proceso de fabricación del módulo, donde el módulo comprende al menos una hoja transparente fija (2), comprendiendo un conjunto de elementos ópticos primarios (4) distribuidos sobre una de sus superficies; y una hoja transparente móvil (3) con una cara anterior que comprende una matriz de células fotovoltaicas (5), donde los elementos ópticos primarios (4) están constituidos por conjuntos de lentes de Fresnel lineales delgadas y con asimetría transversal configurados para concentrar la luz solar en líneas focales y dispersar la luz difusa sobre la cara anterior de la hoja transparente móvil (3); donde la matriz de células fotovoltaicas (5) está configurada para capturar las líneas focales de luz concentrada por los elementos ópticos primarios (4) o dejarla pasar a través de la hoja transparente móvil (3).

Description

DESCRIPCIÓN

Módulo fotovoltaico semitranslúcido de generación de electricidad e iluminación, elemento arquitectónico que lo comprende y proceso de fabricación

SECTOR TÉCNICO

La presente invención se encuadra en el sector técnico del vidrio para edificación que integra células fotovoltaicas, particularmente para su integración en elementos de fachada o cubierta.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La capacidad fotovoltaica (FV) acumulada en Europa tendría que alcanzar los 455-605 GW para cumplir el ambicioso objetivo europeo del Pacto Verde de reducir en un 55% las emisiones netas de gases de efecto invernadero para 2030 y lograr la neutralidad climática para 2050. Esto requerirá un uso eficiente de la superficie disponible en nuestras ciudades, por ejemplo, mediante la fotovoltaica aplicada a edificios (BAPV, del inglés building-applied photovoltaics) y la fotovoltaica integrada en edificios (BIPV, del inglés building-integrated photovoltaics). Si bien se calcula que el potencial de instalaciones de tejado en Europa es de unos 560 GW, al ritmo de crecimiento actual las instalaciones BIPV en Europa sólo alcanzarán una pequeña fracción de su potencial en 2030. Una penetración más rápida en el mercado puede promoverse mediante avances tecnológicos que eliminen algunas de sus limitaciones actuales, como son su baja eficiencia eléctrica o la falta de confort visual de la iluminación natural que proporcionan.

La BIPV aumenta la superficie de la envolvente del edificio utilizable para la fotovoltaica y aporta funciones adicionales. Estos módulos sustituyen a partes convencionales del edificio, por lo que deben cumplir los estrictos requisitos mecánicos, eléctricos y de seguridad contra incendios de cualquier elemento de construcción y, además, contribuyen a aumentar el aislamiento térmico y acústico. La combinación de células fotovoltaicas y acristalamiento estructural da lugar a módulos fotovoltaicos transparentes, semitransparentes y translúcidos que pueden integrarse en la fachada o el tejado de un edificio para generar electricidad y producir iluminación natural. Los módulos BIPV semitransparentes comerciales típicos utilizan un doble acristalamiento en el que se laminan células solares de silicio cristalino (cSi) opacas dejando un espacio entre ellas para permitir una transmisión parcial de la luz solar e iluminar así el interior del edificio. Sin embargo, este espaciado reduce drásticamente la eficiencia eléctrica en comparación con los módulos BAPV, por lo que presentan una baja densidad de potencia (potencia pico por unidad de superficie). Además, los costes de sistema de los muros cortina BIPV, que oscilan entre 600 y 1.000 euros/m2, hacen que apenas sean competitivos en términos de coste por vatio pico debido a su baja eficiencia. Así pues, aumentar la densidad de potencia es esencial para impulsar su adopción. Además, la semi-transparencia de las células opacas produce sombras duras y franjas de iluminación brillante en el interior del edificio que pueden producir deslumbramientos y falta de confort a los usuarios del mismo, lo que dificulta aún más su adopción por parte de los diseñadores de edificios.

La fotovoltaica de concentración (CPV, del inglés concentrator photovoltaics) se ha propuesto desde hace tiempo como una forma de aumentar la eficiencia de los módulos BIPV y gestionar las propiedades de la iluminación natural. La CPV utiliza elementos ópticos para concentrar la irradiancia directa (aquella que proviene del disco solar) hacia células solares de menor tamaño con el fin de aumentar su eficiencia y ahorrar superficie de semiconductor, lo que a su vez reduce la huella de carbono de la electricidad generada. Además, dado que la gran dispersión angular de la irradiancia difusa no puede concentrarse, ésta puede transmitirse a través del sistema para proporcionar una iluminación natural homogénea en el interior del edificio.

Sin embargo, la concentración solo es efectiva en un rango de ángulos de incidencia de la luz muy limitado (aceptancia angular del sistema), por lo que se requieren sistemas de seguimiento (partes móviles) para apuntar el sistema hacia la luz solar directa, a menos que la concentración geométrica (relación entre el área de la apertura óptica y el área de la célula solar) sea muy baja. Por esta razón, la mayoría de los conceptos publicados de sistemas fotovoltaicos concentradores integrados en edificios (BICPV) son conceptos estáticos con una concentración geométrica muy baja, basándose normalmente en conceptos metálicos reflectantes o dieléctricos sólidos. Sin embargo, estos sistemas se vuelven muy voluminosos y pesados, y la complejidad, coste y peso extra apenas se justifica por el pequeño ahorro de semiconductores y el bajo rendimiento energético anual. Además, las gruesas ópticas o espejos involucrados producen una absorción excesiva como para producir iluminación natural útil.

Otros conceptos específicamente diseñados para regular la iluminación natural, que pueden denominarse BICPV/D (inicial del término inglés daylighting), suelen basarse en ajustes estacionales. Por ejemplo, En soluciones anteriores, se ha propuesto una ventana con accionamiento térmico pasivo para cambiar las funciones ópticas: en los meses de invierno con bajas temperaturas, la ventana está totalmente despejada para aumentar la iluminación natural y la carga térmica solar; con las altas temperaturas del verano, una capa termotrópica interior hace que la mayor parte de la radiación solar incidente se retrodisperse y se conduzca a través del vidrio de la cubierta (que actúa como guía de la luz por reflexión total interna) hasta las células solares de los bordes del módulo. Sin embargo, la eficiencia óptica es muy baja debido a la dispersión y a la elevada absorción en el largo camino óptico.

A fin de reducir el espesor de la óptica de concentración se ha propuesto la utilización de lentes de Fresnel, que consiguen una elevada eficiencia óptica con un grosor y volumen de material mínimos. Valencia-Caballero et al. demostraron un módulo de claraboya BICPV/D con comportamiento solar estacional basado en franjas de lentes Fresnel lineales estáticas alternadas con cadenas de células solares. En verano, las lentes desvían la radiación solar altamente perpendicular (disco solar cerca del cénit) hacia las células solares, creando así una concentración ~2X. En invierno, la luz solar más tangencial (baja elevación del sol) se desvía hacia el interior del edificio. En conjunto, la ganancia anual de electricidad solar es del 10%, pero la iluminación natural sigue produciendo sombras duras y un gran deslumbramiento. En ambos sistemas, la iluminación natural se rige por circunstancias externas que el usuario no puede controlar y la concentración obtenida es muy baja.

Con el fin de introducir un control activo de la iluminación natural, se han propuesto lentes de Fresnel lineales estáticas en combinación con receptores móviles de células solares que capturan la luz solar directa concentrada en una línea focal. La fracción de radiación solar difusa, por el contrario, entra en el edificio para producir una iluminación de bajo contraste. Sin embargo, las facetas de Fresnel producen un sombreado mutuo cuando la incidencia de la luz solar no es perpendicular a la lente. En algunas realizaciones de esta idea se han propuesto lentes abovedadas para evitar estas pérdidas. Sin embargo, un diseño curvo complica enormemente tanto su integración en un producto BIPV, como su fabricación utilizando vidrio, el material estándar para las envolventes transparentes de los edificios.

Además, debido a la gran superficie de apertura de las lentes de Fresnel convencionales, es preciso añadir disipadores o absorbedores térmicos (por ej., un fluido circulante) para disipar la gran cantidad de calor que genera la radiación solar concentrada en la célula solar. El fluido caliente resultante puede aportar un valor añadido a los usuarios del edificio, pero la instalación para el aprovechamiento del calor aumenta drásticamente la complejidad de la instalación y difícilmente puede justificarse en términos de costes de instalación, funcionamiento y mantenimiento.

Existen registros de patentes que proponen módulos fotovoltaicos que concentran la luz directa en células solares y transmiten la luz difusa hacia el interior del edificio. Ejemplos de este tipo de soluciones son:

Los documentos US11686097B2 “Skylights with integrated photovoltaics and refractive lightsteering” y US2016064588A1 “Concentrator lens for directing light to a photovoltaic target or mirrored surface and a dynamic window apparatus utilizing the same” describen un módulo que utiliza un sistema óptico estático, por lo que su eficiencia óptica solo es aceptable en un rango de ángulos de incidencia muy estrecho y la generación de energía anual es muy baja. El módulo descrito en US11686097B2 presenta baja generación de energía y su integración con los sistemas de envolvente típicos es difícil, mientras que el módulo descrito en US2016064588A1 presenta un peso elevado, baja generación de energía y complejidad de fabricación, además de ser difícilmente integrable.

Por su parte, el documento US10199527B2 “Solar concentrator and illumination apparatus” describe un módulo que utiliza un sistema óptico que requiere apuntamiento perpendicular al sol de la superficie de entrada. Este módulo no puede integrarse en elementos arquitectónicos típicos de la envolvente del edificio, y se integra como un elemento adicional a la fachada, lo que reduce en gran medida su interés comercial.

CN108978962A “Solar curtain wall module structure on basis of compound parabolic concentrators” describe una estructura modular de muro cortina solar basada en concentradores parabólicos compuestos. La estructura del módulo de muro cortina solar se compone de un marco y múltiples concentradores. Los concentradores se montan en el marco a través de barras transversales, unas placas de vidrio transparentes se disponen en dos lados de cada concentrador y se posicionan en el marco, y una lámina de conexión se dispone en cada barra transversal y se posiciona en un lado del concentrador correspondiente. La estructura del módulo de muro cortina solar tiene las ventajas de que las diversas láminas de conexión están conectadas entre sí mediante placas de conexión verticales, de modo que se pueden lograr efectos de ajuste de los ángulos de los concentradores con la ayuda de las placas de conexión verticales; se tiene en cuenta la iluminación interior mientras se genera energía con la ayuda de la luz solar, los ángulos de los concentradores parabólicos compuestos se pueden ajustar de manera pertinente para diferentes estaciones y tiempos, y la estructura del módulo de muro cortina solar se puede cambiar a un modo de recepción solar y a un modo de aislamiento térmico reflectante. Este sistema introduce un espesor óptico muy elevado, por lo que su eficiencia óptica alcanzable es muy baja. Además, su fabricación requiere de costosas técnicas de moldeo o mecanizado. Presenta peso elevado, baja generación de energía y complejidad de fabricación, además de ser difícilmente integrable en elementos arquitectónicos convencionales.

US2006132932A1 “Concentrating type solar collection and daylighting system within glazed building envelopes” describe un módulo que utiliza un sistema óptico basado en lente de Fresnel con simetría radial. Este sistema no puede integrarse en elementos arquitectónicos típicos de la envolvente del edificio por requerir un apuntamiento perpendicular al sol de la superficie de entrada. Por lo tanto, se integra como una pluralidad de elementos adicionales a la fachada, lo que reduce en gran medida su interés comercial.

US2012317900A1 “Multi-functional photovoltaic skylight and/or methods of making the same” describe un módulo fotovoltaico que produce concentración con lentes cilíndricas sobre un sustrato de células lineales para producir electricidad, y que transmite la luz difusa hacia el interior para producir iluminación. El sistema óptico descrito en US2012317900A1 utiliza lentes cilíndricas de un espesor en el rango de los milímetros, y por lo tanto está limitado a sustratos de vidrio adaptados al proceso de texturizado utilizado, e introducen mayores pérdidas ópticas por absorción que limitan su eficiencia óptica. Aunque esta patente menciona la posibilidad de utilizar lentes de Fresnel, realización descrita en la Fig. 7 de la patente, se trata de una solución con un módulo simétrico que está sujeto a unas enormes pérdidas ópticas, tanto debido a la geometría utilizada, como a la calidad de su replicación con los procesos de texturizado de vidrio mencionados en la patente.

El sistema descrito en US2012317900A1 utiliza únicamente desplazamientos laterales, lo que limita la generación de energía eléctrica eficiente a rangos de ángulos de incidencia muy limitados, introduciendo elevadas pérdidas ópticas, y por tanto, de generación eléctrica, lo que reduce su utilidad práctica y su viabilidad como producto comercial.

De este modo, algunas de las limitaciones del estado de la técnica de los módulos fotovoltaicos semi-transparentes actuales para integración arquitectónica a resolver son:

1. Baja densidad de potencia: Los módulos fotovoltaicos semitransparentes actuales para integración arquitectónica presentan una baja eficiencia eléctrica debido al espaciamiento entre las células solares para permitir la transmisión de luz.

2. Deslumbramiento en el interior: Los módulos fotovoltaicos semitransparentes actuales para integración arquitectónica generan patrones de luz de alto contraste (zonas brillantes y sombras) que producen deslumbramiento a los usuarios. Esto limita en gran medida las posibilidades de integración de estos módulos en los edificios y limitan su mercado potencial.

3. Necesidad de elementos adicionales de protección solar: Los módulos fotovoltaicos semitransparentes actuales para integración arquitectónica transmiten parte de la radiación solar directa, por lo que precisan de elementos de protección solar adicionales en estancias que requieran limitar la radiación solar directa (por ejemplo, espacios de trabajos de uso general).

4. Ausencia de mecanismos de gestión activa de la iluminación: Los módulos fotovoltaicos semitransparentes convencionales para integración arquitectónica no permiten gestionar la intensidad de iluminación natural transmitida al interior de los edificios, por lo que requieren de medios adicionales de protección solar.

Por tanto, es necesario un desarrollo arquitectónico que mejore las soluciones actuales relativas a módulo fotovoltaicos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene por objetivo superar estas limitaciones mediante un módulo fotovoltaico que combina de forma novedosa la capacidad de bloquear la luz solar directa, generar electricidad solar de origen fotovoltaico, proveer de iluminación natural homogénea y confortable al interior del edificio y permitir la gestión activa e instantánea de estas funcionalidades.

En un primer aspecto de la invención, la solución se refiere a un módulo fotovoltaico semitranslúcido de generación de electricidad e iluminación que comprende al menos una hoja transparente fija, configurada para permitir el paso de radiación solar, definiendo una superficie exterior, expuesta a la radiación solar, y una superficie interior, que comprende un conjunto de elementos ópticos primarios distribuidos sobre una de las superficies de la al menos una hoja transparente fija, y una hoja transparente móvil que comprende una cara anterior, enfrentada a la superficie interior de la hoja transparente fija, donde la cara anterior de la hoja transparente móvil comprende una matriz de células fotovoltaicas, comprendiendo cada célula fotovoltaica una anchura menor que la anchura de un elemento óptico primario y la separación entre dos centros de las células fotovoltaicas es igual al ancho de un elemento óptico; donde el conjunto de elementos ópticos primarios comprende un conjunto de lentes de Fresnel lineales asimétricas, configurado para concentrar la luz solar directa en líneas focales y dispersar la luz difusa sobre la cara anterior de la hoja transparente móvil; donde la hoja transparente móvil está mecánicamente asociada a un sistema mecatrónico configurado para ajustar la posición de la matriz de células fotovoltaicas de la hoja transparente móvil respecto a la hoja transparente fija, estando la matriz de células fotovoltaicas configurada para capturar las líneas focales de luz concentrada por los elementos ópticos primarios generando electricidad, o dejar pasar las líneas focales a través de la hoja transparente móvil.

A diferencia de los sistemas de concentración tradicionales que emplean lentes de Fresnel simétricas de foco puntual o lineal (u otros elementos ópticos voluminosos como las lentes cilíndricas), la presente invención utiliza lentes planas, delgadas (del orden de decenas de micrómetros) y asimétricas diseñadas siguiendo el principio de Fermat para concentrar la luz directa que incide con una inclinación nominal sobre una línea focal situada a menos de 10 centímetros de distancia, a fin de asegurar una compacidad suficiente del sistema que permita su integración con elementos de la envolvente del edificio.

La inclinación nominal se define como aquella que permite maximizar la eficiencia óptica bajo los ángulos de incidencia típicos de fachadas y cubiertas de edificios en las latitudes de referencia del diseño. Esta inclinación nominal depende de la latitud de la instalación, por lo que existe un diseño óptico óptimo para cada latitud.

El espesor reducido de decenas de micrómetros de las facetas de Fresnel consigue dos objetivos: por un lado, reduce al mínimo la absorción de luz y, por tanto, incrementa la eficiencia óptica y, por otro, facilita su fabricación mediante procesos continuos rodillo-a placa de bajo coste y alta calidad de replicación.

A diferencia de los sistemas existentes, no existe simetría transversal entre las facetas de Fresnel dado que el rango de ángulos de incidencia transversales a la lente es también asimétrico, lo que reduce enormemente las pérdidas por reflexión total interna típicas de los sistemas existentes. Asimismo, el ángulo de desmoldeo es mucho mayor en comparación con las soluciones actuales, donde se emplea un ángulo de desmoldeo entre 0° - 5°, y su valor concreto se define como aquel que evita el sombreado mutuo de los rayos con ángulo de incidencia nominal (típicamente, el obtenido en el mediodía solar del equinoccio).

La capacidad de desplazamiento de la presente invención ofrece la posibilidad de modular de forma instantánea la fracción de luz directa que se transmite a través del módulo, por ejemplo, al interior de un edificio como iluminación natural según las necesidades de usuario y las condiciones de operación. Esta opción no es viable en soluciones anteriores como los módulos semitransparentes actuales.

En un segundo aspecto de la invención, la solución se refiere a un elemento arquitectónico que comprende el módulo anterior integrado.

Por tanto, el empleo de este tipo de elemento arquitectónico permite la integración del módulo fotovoltaico en soluciones arquitectónicas con una elevada densidad de potencia a diferencia de otras soluciones anteriores que presentar una baja densidad. Gracias a la configuración del presente módulo se puede destinar únicamente la luz difusa (en torno al 20% del total de la radiación solar en regiones soleadas como el sur de Europa) para la iluminación natural de un edificio donde se ha instalado, mientras que toda la luz solar directa se concentra en las células fotovoltaicas de la hoja móvil del módulo. Esta concentración permite reducir el área de célula fotovoltaica utilizada entre 2 y 10 veces, lo que reduce de forma proporcional la huella ambiental asociada a la fabricación del semiconductor (principal fuente de emisiones de carbono en un módulo de silicio cristalino convencional). Además, el empleo de la luz difusa para la iluminación del interior de un edificio, con la capacidad de bloqueo o modulación de la radiación solar directa, produce una iluminación homogénea de muy baja probabilidad de deslumbramiento y un elevado índice de reproducción cromática, mejorando así el confort visual y bienestar de los usuarios de espacios interiores.

Adicionalmente, se trata de un módulo que presenta una fabricación escalable y de bajo coste como, por ejemplo, impresión rodillo-a-placa sobre vidrio arquitectónico. Es decir, el módulo está diseñado para poder ser integrado en múltiples elementos arquitectónicos estándar, tal y como refleja este segundo aspecto.

En esta figura aparecen referencias numéricas que identifican los elementos siguientes:

1. Marco de soporte

2. Hoja transparente fija

3. Hoja transparente móvil

4. Elementos ópticos primarios

5. Matriz de células fotovoltaicas

6. Sistema mecatrónico

7. Luz solar directa (disco solar)

8. Luz solar difusa (bóveda celeste)

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

A continuación, se describen realizaciones a modo de ejemplo, en conexión con las figuras siguientes:

La Figura 1 muestra una vista esquemática de una realización de un módulo fotovoltaico semitranslúcido según la presente invención.

La Figura 2 muestra un detalle del diseño óptico de una lente de Fresnel asimétrica de facetas micro-métricas comprendido en el módulo según la presente invención.

La Figura 3 muestra el desplazamiento diario de una hoja móvil de un módulo según la presente invención instalado en la ciudad de Madrid (España) en posición horizontal y orientación norte-sur del eje transversal en 4 días representativos; el solsticio de invierno (22 diciembre - WS); el solsticio de verano (21 junio - SS); y los dos equinoccios (20 marzo y 22 septiembre - EX).

La Figura 4 muestra una imagen de la fracción de la luz solar directa que se transmite a las células solares en función del ángulo de incidencia de la luz solar, donde el ángulo de incidencia se indica en función de sus componentes longitudinal y transversal al eje de simetría de las lentes, destacándose los ángulos de incidencia correspondientes a las trayectorias solares de los solsticios y equinoccios, para el caso de la Figura 3.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En un primer aspecto, la solución se refiere a un módulo fotovoltaico semitranslúcido de generación de electricidad e iluminación.

Tal y como se muestra en la Figura 1, el módulo comprende al menos una hoja transparente fija (2) configurada para permitir el paso de radiación solar, definiendo una superficie exterior, expuesta a la radiación solar, y una superficie interior, contraria a la superficie exterior, que comprende un conjunto de elementos ópticos primarios (4) distribuidos sobre una de las superficies de la al menos una hoja transparente fija (2).

La al menos una hoja transparente fija (2) puede estar fabricada en vidrio arquitectónico, por ej. templado o laminado, para garantizar resistencia mecánica y transparencia óptica. Adicionalmente, la al menos una hoja puede estar separadas por una o varias cámaras interiores para incrementar el aislamiento térmico y acústico del acristalamiento del edificio del que forma parte el módulo. En realizaciones alternativas, la al menos una hoja fija (2) puede estar fabricada en materiales plásticos transparentes como policarbonato o acrílico, para ofrecer menor peso y mayor resistencia a impactos.

El módulo comprende además una hoja transparente móvil (3) definiendo una cara anterior enfrentada a la superficie interior de la hoja transparente fija (2). La hoja móvil (3) está separada una distancia Z, según un eje focal, que puede ser modificada según las condiciones de interés.

Por otro lado, la hoja móvil (3) puede estar fabricada en vidrio de seguridad o en material plástico transparente, como policarbonato o acrílico. En una realización de la invención, la hoja móvil puede incluir un recubrimiento de baja emisividad para reducir la radiación de calor hacia el interior del edificio.

La cara anterior de la hoja transparente móvil (3) comprende una matriz de células fotovoltaicas (5). Cada célula fotovoltaica (5) comprende una anchura menor que la anchura de un elemento óptico primario (4) de la hoja transparente fija (2). Particularmente, la reducción de anchura es de 2 a 10 veces la anchura del elemento óptico primario (4). Adicionalmente, la matriz de células fotovoltaicas (5) está distribuida de modo que la separación entre dos centros de las células fotovoltaicas (5) es igual al ancho de un elemento óptico primario (4).

De manera particular, el conjunto de elementos ópticos primarios (4) comprende un conjunto de lentes de Fresnel lineales delgadas, con asimetría transversal. Este conjunto está configurado para concentrar la luz solar directa en líneas focales y dispersar la luz difusa sobre la cara anterior de la hoja transparente móvil (3), transmitiéndose hacia el interior de la edificación. En particular, el conjunto de lentes de Fresnel es un conjunto de facetas planas transparentes con simetría lineal, con un espesor muy reducido de decenas de micrómetros. El espesor en ningún caso es superior a 100 micrómetros, mejorando la absorción de luz y facilitando la fabricación del conjunto. En una realización particular, el espesor es preferiblemente inferior a 40 micrómetros para reducir las pérdidas por absorción y facilitar la utilización de procesos de replicación de alta productividad como la impresión rodillo-a placa, y no inferior a 20 micrómetros para minimizar las pérdidas producidas por el redondeo de los vértices de las facetas de Fresnel durante el moldeo. El perfil de estas lentes es asimétrico transversalmente para minimizar las pérdidas ópticas por reflexión total interna, con un ángulo de desmoldeo elevado para minimizar las pérdidas por sombreado mutuo, y diseñadas utilizando el principio de Fermat para conseguir una distancia focal inferior a 10 centímetros. Esta focal reducida asegura una compacidad suficiente para permitir su integración en elementos de la envolvente del edificio.

La distancia focal de este tipo de ópticas lineales, tanto en nuestra invención como en las lentes cilindricas descritas en US2012317900A1, presenta variaciones importantes en función del ángulo de incidencia de la luz. De este modo, se puede definir una curva de incidencia según la función del ángulo de incidencia de la luz. Dicha curva de incidencia puede ser estimada mediante un modelado óptico. Por ejemplo, se puede emplear un software de trazado de rayos para óptica geométrica que represente de forma realista tanto la fuente de luz (el disco solar, incluyendo su extensión angular y distribución espectral) como la geometría y propiedades ópticas de los materiales, incluyendo la dispersión del índice de refracción. De este modo, la línea focal puede ser obtenida mediante una simulación de tipo Monte Carlo con millones de rayos, repetida para todos los posibles ángulos de incidencia longitudinales y transversales al eje de simetría de las lentes.

Como resultado, a diferencia de otras soluciones anteriores, se obtiene una función de transformación precisa del ángulo de incidencia de la luz solar. Gracias a esta función, el dispositivo puede adaptar los desplazamientos lateral y focal necesarios para que las células solares capturen y bloqueen la luz solar directa. Esta característica contrasta con lo conocido en el documento US2012317900A1, donde se limita a desplazamientos laterales, lo que introduce elevadas pérdidas ópticas y, por tanto, de generación eléctrica, lo que reduce su utilidad práctica y su viabilidad como producto comercial.

El empleo de este tipo de lentes permite maximizar la eficiencia óptica bajo los ángulos de incidencia típicos de las fachadas o cubiertas de los edificios. Así, en una realización particular, este conjunto puede estar fabricado sobre una de las caras de una única hoja transparente fija (2), lo que simplifica el diseño, favorece la transmitancia de radiación solar, y reduce el material necesario y el peso del módulo final. Sin embargo, en otra realización particular, el conjunto puede estar fabricado sobre la cara posterior de una hoja transparente fija separada por una o varias cámaras interiores para incrementar el aislamiento térmico y acústico.

Por su parte, la hoja transparente móvil (3) está mecánicamente asociada a un sistema mecatrónico (6). El sistema mecatrónico (6) está configurado para ajustar la posición de la matriz de células fotovoltaicas (5) de la hoja transparente móvil (3) respecto a la hoja transparente fija (2). De este modo, la matriz de células fotovoltaicas (5) está configurada para capturar las líneas focales de luz concentrada por los elementos ópticos primarios (4) generando electricidad o dejar pasar líneas focales a través de la hoja transparente móvil. Por su parte, en una realización particular, las células fotovoltaicas (5) pueden estar adheridas a la cara anterior de la hoja móvil (3).

La electricidad generada puede ser extraíble a través un bus de interconexión asociado al conjunto de células fotovoltaicas (5). Este bus puede extraer la electricidad hasta los extremos o la cara posterior de la hoja móvil (3) de modo que se permita conectar el circuito de células fotovoltaicas (5) con otros módulos o cargas para el aprovechamiento de la electricidad, tanto para el autoconsumo del edificio como para otro destino.

En una realización particular, el módulo puede comprender un marco de soporte (1). Este marco de soporte está configurado para soportar y permitir la alineación de los diferentes componentes del módulo entre sí. Adicionalmente, este marco puede estar diseñado para ser anclado o integrado en un elemento arquitectónico, facilitando la unión del módulo según la presente invención y dicho elemento.

En una realización particular, este conjunto de lentes presenta una asimetría transversa, a fin de evitar las pérdidas ópticas debidas a la reflexión total interna, y un ángulo de desmoldeo mayor a 10° y menor a 40° (dependiendo de la latitud y posición donde se quiere utilizar), mucho mayor a los presentes en ópticas de concentración típicas, donde el ángulo de desmoldeo se encuentra entre 0° - 5°.

El empleo de un ángulo de desmoldeo mayor a 10° permite evitar las pérdidas ópticas por sombreado mutuo entre facetas, las cuales puede presentar un espesor micrométrico. Un ejemplo de ángulo de desmoldeo es 28° para la latitud de 40° de Madrid, España, donde el rayo del mediodía solar en el equinoccio incide con una inclinación de 45° sobre el módulo horizontal. De este modo, se observa como el ángulo de desmoldeo es muy superior a las soluciones de concentración óptica típica y se encuentra más cercano al ángulo de salida de la refracción de la radiación solar al mediodía del equinoccio, en la interfaz entre el aire y la hora transparente fija.

De forma particular, la Figura 2 muestra un detalle del diseño óptico de una lente de Fresnel asimétrica de facetas micro-métricas comprendido en el módulo según la presente invención. En esta realización particular, se muestra una hoja fija (2) de vidrio con espesor de 4 mm, donde incide una radiación solar a 17° (correspondiente al mediodía solar del solsticio de verano sobre una hoja horizontal, en la ciudad de Madrid, España). El conjunto de lentes de Fresnel se encuentra dispuesto en la superficie interior de la hoja fija (2) con una dimensión de 22,5 mm de ancho de cada lente, coincidente con la separación de las células fotovoltaicas (5), dispuestas sobre una hoja móvil (3) de vidrio. La separación de la hoja móvil (3) de la hoja fija (2) es de 75 mm, si bien puede ser modificada en caso de necesitar modificar la distancia focal.

De este modo, la asimetría transversal de las lentes y el ángulo de desmoldeo mucho mayor de cero aseguran la captura y concentración de la luz solar directa con la mayor eficiencia óptica posible para el rango de ángulos de incidencia típicos de una fachada o cubierta.

Adicionalmente, el espesor micrométrico de las lentes y su simetría lineal permiten su fabricación mediante procesos de replicación de alta productividad como la impresión rodilloa-placa (por ejemplo, utilizando resinas curables por ultravioleta) que permiten, a diferencia de otras soluciones anteriores, una producción de alta calidad y bajo coste de las matrices de microópticas sobre las grandes superficies propias de los acristalamientos de edificios.

Así pues, el sistema presentado puede adaptarse fácilmente a los sistemas convencionales de revestimiento de edificios, como muros cortina, tragaluces, claraboyas o marquesinas.

En otra realización particular, la matriz de células fotovoltaicas (5) está encapsulada bajo una lámina transparente. La disposición encapsulada de la matriz permite asegurar el aislamiento eléctrico necesario para garantizar la seguridad del producto, así como de protegerlas de la humedad o el polvo, que pueden activar mecanismos de degradación o fallo prematuro de las células.

El sistema mecatrónico (6) permite ajustar la posición de la hoja móvil (3) respecto a la hoja fija (2). La determinación de la posición de la hoja móvil (3) determina la capacidad de captura de la radiación directa concentrada por la matriz de células fotovoltaicas y su conversión en electricidad, o el paso de iluminación a través del módulo. Particularmente, este sistema puede estar anclado al marco de soporte (1) del módulo, de modo que se logra un sistema integrado compacto.

En una realización particular, el sistema mecatrónico (6) está configurado para un desplazamiento en dos ejes. Específicamente, el sistema mecatrónico (6) puede comprender dos actuadores ortogonales, permitiendo modificar la posición en el eje transversal a las lentes y en el eje de la distancia focal, acercando o alejando la hoja móvil (3) a la al menos una hoja fija (2). Cada actuador puede estar alimentado por un motor paso a paso, lo que asegura una mayor precisión y estabilidad en el módulo.

Esta configuración particular permite obtener un microseguimiento en dos ejes, eje focal y eje transversal de las células fotovoltaicas (5), de modo que se puede ajustar la posición de las células solares para que coincida con el plano de líneas focales, que se desplazan a medida que varía la posición del sol.

Es decir, a diferencia de otras soluciones, el sistema puede presentar la movilidad en dos ejes. Adicionalmente, esta doble movilidad se logra mediante un sistema con un espesor compacto, menor a 10 centímetros, que permiten su integración en elementos arquitectónicos estándar como muros cortina o lucernarios.

En otra realización particular, el módulo comprende al menos un sensor seleccionado del grupo consistente en sensores de posicionamiento, sensores de iluminación, sensores de temperatura y sensores de humedad.

El módulo puede comprender además un controlador, asociado al sistema mecatrónico (6), configurado para calcular la posición generadora de la hoja móvil. Dicha posición generadora es la posición donde la línea focal de los elementos ópticos primarios (4) están enfocados sobre las células fotovoltaicas (5), de modo que se puede llevar a cabo el bloqueo de la radiación solar directa y su conversión en electricidad.

En particular, el controlador puede comprender una unidad de control en lazo abierto del desplazamiento necesario a partir de un algoritmo de cálculo de la posición del sol a partir de la fecha y la hora, la latitud y longitud de la localización, y la orientación e inclinación del módulo según la presente invención.

En una realización particular, el módulo puede comprender sensores de posición. Estos sensores están configurados para retroalimentar el control de los actuadores del sistema mecatrónico. Adicionalmente, el sistema mecatrónico puede incluir sensores de alineamiento o apuntamiento que permiten mejorar la presión del desplazamiento, según una configuración en lazo híbrido.

En otra realización, el sistema mecatrónico (6) puede incluir sensores de iluminación, temperatura y humedad para tomar decisiones sobre la fracción de luz directa a transmitir hacia el interior del edificio en función de las condiciones de operación. Alternativamente, el controlador puede incluir una interfaz hombre-máquina para que los usuarios pueden tomar decisiones sobre la fracción de luz directa hacia el interior del edificio. En este sentido, el controlador puede incorporar un bus de comunicaciones digitales para comunicarse con un sistema domótico externo.

En otra realización particular, el módulo puede comprender además un conjunto de elementos ópticos secundarios. Estos elementos ópticos secundarios están dispuestos sobre la matriz de células fotovoltaicas (5) y permiten redirigir hacia la matriz de células fotovoltaicas los rayos de luz dispersada de forma indeseada hacia las inmediaciones de la célula. Un ejemplo de este tipo de elementos es una matriz de lentes asféricas lineales con asimetría transversal. Estas lentes están diseñadas para mejorar la tolerancia angular del sistema óptico obtenido en el módulo de la presente invención.

En otra realización particular, el módulo puede comprender una hoja de seguridad. Esta hoja de seguridad es una hoja transparente fija, dispuesta de manera enfrentada a la cara posterior de la hoja transparente móvil (3). En una realización más particular, la hoja de seguridad está fabricada en vidrio o en material plástico transparente como policarbonato o acrílico. Puede ir montada de forma fija montada sobre la parte posterior del marco de soporte (1), correspondiente a la parte interior del edificio. Su finalidad es evitar el contacto de los usuarios con el sistema mecatrónico (6) y el circuito de potencia de las células fotovoltaicas (5) y garantizar así la seguridad. Alternativamente, el sistema puede incluir una membrana o fuelle de protección, unidos al marco y el borde de la cara posterior de la hoja móvil (3).

En un segundo aspecto de la invención, la solución se refiere a un elemento arquitectónico que comprende el módulo anterior. Estas soluciones pueden ser integradas en el acristalamiento para edificación a fin de generar electricidad solar para autoconsumo y, simultáneamente, proporcionar un mecanismo de protección solar y gestión activa de la iluminación hacia el interior del edificio.

El módulo según la presente invención, así como los elementos arquitectónicos que lo comprende, permiten mejorar la eficiencia energética, por ejemplo, de un edificio, al capacitar una gestión óptima de la radiación solar orientando el módulo para la generación energética o para la iluminación del interior según el empleo de la estancia. La presente invención puede adaptarse fácilmente a los sistemas convencionales de revestimiento de edificios, tanto de fachada (como muros cortina) como de cubierta (como tragaluz o claraboyas). Sin embargo, también puede integrarse en los elementos exteriores como balaustradas, parapetos, pérgolas o marquesinas.

A modo de ejemplo, se muestra en la Figura 3 los desplazamientos diarios de una hoja móvil (3) de un módulo según la presente invención instalado en la ciudad de Madrid (España) en posición horizontal y orientación norte-sur del eje transversal en 4 días representativos: el solsticio de invierno (22 diciembre - WS); el solsticio de verano (21 junio - SS); y los dos equinoccios (20 marzo y 22 septiembre - EX). Como se aprecia, se puede observar un desplazamiento total de 45 mm en el eje transversal (X) y de 55 mm en el eje focal (Z).

Por su parte, la Figura 4 muestra una imagen de la fracción de la luz solar directa que se transmite a las células solares en función del ángulo de incidencia de la luz solar, donde el ángulo de incidencia se indica en función de sus componentes longitudinal y transversal al eje de simetría de las lentes, destacándose los ángulos de incidencia correspondientes a las trayectorias solares de los solsticios y equinoccios, para el caso de la Figura 3.

En todos los casos, el beneficio proporcionado es la reducción del balance energético hacia la energía neta cero, la capacidad de gestión activa de la iluminación natural y el factor solar, y la mejora del confort visual de los usuarios, facilitando así la integración de sistemas de generación renovable, por ejemplo, en la envolvente de los edificios.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un módulo fotovoltaico semitranslúcido de generación de electricidad e iluminación natural caracterizado por que comprende:

- al menos una hoja transparente fija (2), configurada para permitir el paso de radiación solar, definiendo una superficie exterior, expuesta a la radiación solar, y una superficie interior, que comprende un conjunto de elementos ópticos primarios (4) distribuidos sobre una de las superficies de la al menos una hoja transparente fija, y

- una hoja transparente móvil (3) que comprende una cara anterior, enfrentada a la superficie interior de la hoja transparente fija (2), donde la cara anterior de la hoja transparente móvil (3) comprende una matriz de células fotovoltaicas (5), comprendiendo cada célula fotovoltaica (5) una anchura menor que la anchura de un elemento óptico primario (4) y la separación entre dos centros de las células fotovoltaicas (5) es igual al ancho de un elemento óptico (4);

donde el conjunto de elementos ópticos primarios (4) comprende un conjunto de lentes de Fresnel lineales delgadas y con asimetría transversal configurado para concentrar la luz solar directa en líneas focales y dispersar la luz difusa sobre la cara anterior de la hoja transparente móvil (3);

donde la hoja transparente móvil (3) está mecánicamente asociado a un sistema mecatrónico (6) configurado para ajustar la posición de la matriz de células fotovoltaicas (5) de la hoja transparente móvil (3) respecto a la hoja transparente fija (2), estando la matriz de células fotovoltaicas (5) configurada para capturar las líneas focales de luz concentrada por los elementos ópticos primarios (4) generando electricidad o dejar pasar líneas focales a través de la hoja transparente móvil (3).

2. El módulo según la reivindicación 1, donde el módulo comprende un marco de soporte (1), configurado para soportar los elementos del módulo y ser anclado a un elemento arquitectónico de una edificación.

3. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde el conjunto de lentes de Fresnel comprende un ángulo de desmoldeo en el intervalo 10° - 40°.

4. El módulo según la reivindicación 3, donde el conjunto de lentes de Fresnel comprende además facetas de espesor inferior a 100 micrométros, preferiblemente en el intervalo 20 - 40 micrómetros.

5. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la matriz de células fotovoltaicas (5) está encapsulada bajo una lámina transparente.

6. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el sistema mecatrónico (6) comprende dos actuadores mecánicos ortogonales configurados para desplazar la hoja transparente móvil (3) en dos ejes.

7. El módulo según la reivindicación 6, donde cada actuador está alimentado por un motor paso a paso.

8. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el módulo comprende al menos un sensor seleccionado del grupo consistente en sensores de posicionamiento, sensores de iluminación, sensores de temperatura y sensores de humedad.

9. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el módulo comprende además un controlador configurado para calcular la posición generadora de la hoja móvil en función de la fecha, hora, posicionamiento y orientación.

10. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 donde el módulo comprende un conjunto de elementos ópticos secundarios, dispuestos sobre la matriz de células fotovoltaicas (5), configurados para redirigir hacia la matriz de células fotovoltaicas (5) los rayos de luz dispersada.

11. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 donde el módulo comprende una hoja de seguridad transparente fija enfrentada a la cara posterior de la hoja transparente móvil (3).

12. El módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde la hoja transparente móvil (3) comprende un recubrimiento de baja emisividad.

13. Un elemento arquitectónico caracterizado por que comprende al menos un módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1-12.

14. El elemento arquitectónico según la reivindicación 13, donde el elemento es una fachada ligera, un muro cortina, una fachada de doble piel, un atrio, un lucernario, un tragaluz, una lama, una balaustrada o antepecho, un parapeto, una pérgola, una marquesina o un toldo.

15. Un proceso de fabricación del módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, donde el proceso comprende una etapa de impresión rodillo-a-placa sobre vidrio arquitectónico continuo.