El ángulo de aceptación es el ángulo máximo en el que un concentrador solar puede captar la luz solar entrante . Su valor depende de la concentración de la óptica y del índice de refracción en el que está inmerso el receptor. Maximizar el ángulo de aceptación de un concentrador es deseable en sistemas prácticos y puede lograrse utilizando ópticas sin formación de imágenes .
Para los concentradores que concentran la luz en dos dimensiones, el ángulo de aceptación puede ser diferente en las dos direcciones.
La figura del "ángulo de aceptación" ilustra este concepto.
El concentrador es una lente con un receptor R . La sección izquierda de la figura muestra un conjunto de rayos paralelos que inciden en el concentrador con un ángulo α < θ respecto al eje óptico . Todos los rayos terminan en el receptor y, por lo tanto, se captura toda la luz. En el centro, esta figura muestra otro conjunto de rayos paralelos, ahora incidentes en el concentrador con un ángulo α = θ respecto al eje óptico. Para un concentrador ideal, todos los rayos aún se capturan. Sin embargo, a la derecha, esta figura muestra otro conjunto de rayos paralelos, ahora incidentes en el concentrador con un ángulo α > θ respecto al eje óptico. Todos los rayos ahora no alcanzan el receptor y se pierde toda la luz. Por lo tanto, para ángulos de incidencia α < θ se captura toda la luz mientras que para ángulos de incidencia α > θ se pierde toda la luz. Se dice entonces que el concentrador tiene un ángulo de aceptación (medio) θ , o un ángulo de aceptación total 2 θ (ya que acepta luz dentro de un ángulo ± θ respecto al eje óptico).
Idealmente, un concentrador solar tiene una curva de transmisión c I como se muestra en la figura de "curvas de transmisión". La transmisión (eficiencia) es τ = 1 para todos los ángulos de incidencia α < θ I y τ = 0 para todos los ángulos de incidencia α > θ I .
En la práctica, las curvas de transmisión reales no son perfectas y normalmente tienen una forma similar a la de la curva c R , que está normalizada de modo que τ = 1 para α = 0. En ese caso, el ángulo de aceptación real θ R se define normalmente como el ángulo para el cual la transmisión τ cae al 90% de su máximo. [1]
En el caso de los sistemas de enfoque lineal, como un concentrador de canal o una lente Fresnel lineal , el ángulo de aceptación es unidimensional y la concentración solo depende débilmente de la desviación perpendicular a la dirección de enfoque. Los sistemas de enfoque puntual, por otro lado, son sensibles a la desviación en ambas direcciones. En el caso general, el ángulo de aceptación en una dirección puede ser diferente al de la otra.
El ángulo de aceptación θ de un concentrador puede considerarse como una medida de la precisión con la que debe seguir al sol en el cielo. Cuanto menor sea el θ , más preciso debe ser el seguimiento o el concentrador no captará la luz solar entrante. Por lo tanto, es una medida de la tolerancia que tiene un concentrador a los errores de seguimiento.
Sin embargo, también existen otros errores que afectan al ángulo de aceptación, como lo demuestra la figura de "imperfecciones ópticas".
La parte izquierda de la figura muestra una lente perfectamente hecha con buenas superficies ópticas s 1 y s 2 que capturan todos los rayos de luz incidentes en un ángulo α con respecto al eje óptico. Sin embargo, la óptica real nunca es perfecta y la parte derecha de la figura muestra el efecto de una superficie inferior s 2 mal hecha . En lugar de ser suave, s 2 ahora tiene ondulaciones y algunos de los rayos de luz que se capturaban antes se pierden. Esto disminuye la transmisión del concentrador para el ángulo de incidencia α , lo que disminuye el ángulo de aceptación. En realidad, cualquier imperfección en el sistema como:
contribuye a una disminución del ángulo de aceptación del concentrador. El ángulo de aceptación puede entonces verse como un "presupuesto de tolerancia" que se debe gastar en todas estas imperfecciones. Al final, el concentrador debe tener suficiente aceptación para capturar la luz solar, que también tiene cierta dispersión angular θ S cuando se ve desde la Tierra. Por lo tanto, es muy importante diseñar un concentrador con el ángulo de aceptación más amplio posible. Esto es posible utilizando ópticas sin formación de imágenes , que maximizan el ángulo de aceptación para una concentración dada.
La figura "Apertura angular de la luz solar" a la derecha muestra el efecto de la dispersión angular de la luz solar en el ángulo de aceptación.
La luz del sol no es un conjunto de rayos perfectamente paralelos (mostrados en azul), sino que tiene una apertura angular dada θ S , como lo indican los rayos verdes. Si el ángulo de aceptación de la óptica es lo suficientemente amplio, la luz solar incidente a lo largo del eje óptico será capturada por el concentrador, como se muestra en la figura de "apertura angular de la luz solar". Sin embargo, para ángulos de incidencia más amplios α puede perderse algo de luz, como se muestra a la derecha. Los rayos perfectamente paralelos (mostrados en azul) serían capturados, pero la luz solar, debido a su apertura angular, se pierde parcialmente.
Por lo tanto, los rayos paralelos y la luz solar se transmiten de forma diferente a través de un concentrador solar y las curvas de transmisión correspondientes también son diferentes. En este caso, se pueden determinar diferentes ángulos de aceptación para rayos paralelos o para la luz solar.
Para un ángulo de aceptación dado θ , para un concentrador de foco puntual, la concentración máxima posible, C max , viene dada por
donde n es el índice de refracción del medio en el que está inmerso el receptor. [2] En la práctica, los concentradores reales tienen una concentración inferior a la ideal para una determinada aceptación o tienen un ángulo de aceptación inferior al ideal para una determinada concentración. Esto se puede resumir en la expresión
que define una cantidad CAP (producto de aceptación de concentración), que debe ser menor que el índice de refracción del medio en el que está inmerso el receptor.
Para un concentrador de enfoque lineal, la ecuación no es cuadrada [3]
El producto de aceptación de concentración es una consecuencia de la conservación de la etendue . Cuanto mayor sea el CAP, más cerca estará el concentrador del máximo posible en concentración y ángulo de aceptación.
