Free-form optical systems for nonimaging applications = Sistemas ópticos anamórficos con aplicaciones anidólicas

摘要

La Óptica Anidólica u Óptica no formadora de imagen (Nonimaging Optics en literatura anglosajona) es la rama de la Óptica Geométrica que estudia la transferencia de energía radiante entre la fuente luminosa y el receptor de una manera eficiente. El término “anidólico” procede del hecho de que para conseguir alta eficiencia, no es necesaria la condición de formación de imagen (aunque no queda excluida) y por lo tanto no es necesaria una correspondencia punto a punto. De esta manera se obtienen sistemas ópticos que están compuestos de un menor número de superficies, son más eficientes, y que a su vez son más tolerantes a errores de fabricación. Esto hace que la óptica anidólica sea una herramienta fundamental en el diseño de sistemas ópticos en los campos de concentración fotovoltaica, sistemas de iluminación y comunicaciones ópticas no guiadas, entre otros. En mayor parte esta tesis se centra en el desarrollo de sistemas ópticos con el método de diseño de las “Superficies Múltiples Simultáneas en tres dimensiones” (SMS3D) con el que se pueden obtener dispositivos sin ninguna simetría, llamados free form o anamórficos. La ventaja de la utilización de dicho método de diseño es que se obtienen elementos ópticos sumamente compactos y eficientes. Además con el SMS3D, para el caso de un diseño de 2 superficies, se obtiene el control completo de dos frentes de ondas y el control parcial de un tercero lo que es muy interesante en sistemas de iluminación así como en el diseño de concentradores fotovoltaicos. Por otro lado en los diseños que se presentan en esta tesis se incorpora la técnica de la integración de Köhler. Actualmente, esta técnica está siendo utilizada en la óptica de proyección para displays, aunque en un primer momento se implementó en microscopios para alcanzar una iluminación uniforme de la muestra. En esta tesis se presenta su ampliación para diseñar los integradores formados por elementos anamórficos y distintos entre sí, con lo cual los dispositivos presentados son completamente novedosos. El integrador de Köhler está compuesto de dos elementos ópticos formadores de imagen con distancia focal positiva (es decir, con imagen real en el infinito), puestos de manera si uno se ilumina uniformemente el receptor será iluminado uniformemente también. La tesis está formada por 6 capítulos los cuales se pueden agrupar en dos partes, en la primera parte están presentadas las aplicaciones del método SMS3D (capítulos 2-4) mientras que en la segunda parte está explicada la técnica de integración de Köhler con sus aplicaciones para la concentración fotovoltaica (capítulo 5). En el Capítulo I se hace una breve introducción a los conceptos básicos de la Óptica Anidólica los cuales se han considerado necesarios para la comprensión del resto de los capítulos. El Capítulo II describe la aplicación del método SMS3D al diseño del dispositivo XR para los faros de automóvil con LEDs. Se han realizado los diseños para la luz de cruce y la de carretera. También se ha presentado el análisis completo del dicho faro y la caracterización del primer prototipo. Se ha demostrado que con el SMS3D se obtienen los dispositivos con muchas ventajas respeto a soluciones alternativas, como la eficiencia y control de la luz. El Capítulo III presenta el mismo enfoque que el Capítulo II para una aplicación diferente, es decir, el diseño de un dispositivo tipo XR mediante el método SMS3D para un concentrador fotovoltaico. Se puede ver que de esta manera se consigue un concentrador de alta eficiencia que funciona cerca del límite termodinámico de concentración. Además, el diseño es compacto y su geometría presenta ventajas para la disipación de calor y el diseño del resto del sistema fotovoltaico. En el Capítulo IV se muestra el modelado, producción y caracterización del modulo XR SMS3D, con el objetivo de demostrar el concepto. La alta concentración, con gran aceptancia angular, que tiene el modulo fotovoltaico desarrollado hace muy competitivo en el campo de concentración. En el Capítulo V se explica la integración del Köhler y con dos distintos diseños que demuestran esa técnica. Los diseños generados para este fin son un concentrador XX con simetría de revolución y un concentrador XR free form. El primero (XX) es un caso específico de la integración en una dimensión del haz de rayos, mientras en el caso del XR la integración se hace en dos dimensiones del haz de rayos. Los dos diseños tienen alto producto aceptancia por concentración además de muy alta uniformidad de la irradiancia en la célula, lo que es una de las características más importantes de este tipo de diseño. En esta tesis se demuestra que utilizando la óptica anidólica se pueden conseguir sistemas simples con pocas componentes y de bajo coste. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones y líneas futuras de investigación. Abstract Nonimaging optics focuses on problems of efficient light transfer without constrain of image formation. This is very useful for certain applications, such as concentrating photovoltaics, illumination, and wireless optical communication. This is due to the possibility to design an optical system that is composed of fewer surfaces and more tolerant to manufacturing errors. In the major part this thesis treats the application of simultaneous multiple surface design method in three dimensions (SMS3D). There are presented several designs that use the numerous advantages of this method. It gives full control over image width and rotation, produces minimum vertical spread and can control the vertical image size, no rotation, and optimizes pattern esthetics. In the designs that are presented in this thesis is included the Köhler integration technique. Nowadays, this technique is being used in projection display optics, although firstly its implementation was in microscopes to achieve the uniform illumination of the sample. Köhler integrator is usually composed of 2 imaging optical elements, with positive focal length, placed such that if the primary element is illuminated uniformly, illuminated area is going to have shape of primary, and is not changing its shape if the source is moving inside of the acceptance angle. It is well known technique, though in this thesis it has been extended for the design of free form integrating arrays in three dimensions, for nonimaging applications, where the integrating pairs don’t have to be the same between each other. This makes the presented designs novel and original. In general this thesis deals with free-form designs, and their applications, although there is also presented one rotational symmetric design as an illustrative example of Köhler integration in one dimension of the ray bundle. This thesis consists of 6 chapters that can be grouped in two parts. In the first one are presented the real-life applications of SMS3D method (chapters 2-4), while in the second is explained the Köhler integration technique and its application in the photovoltaic concentration (chapter 5). In the Chapter I are introduced the basic concepts of Nonimaging Optics that were considered necessary for understanding the designs presented in the rest of the chapters. Chapter II describes the SMS3D design method applied of XR LED headlamp. Here is presented the full headlamp design, both, low and high beam, its complete analysis and characterization of the first developed prototype. Can be seen that SMS3D family devices introduce numerous advantages over conventional configurations, such as efficiency, control of light and compactness. Chapter III presents the same approach for different application, i.e. the SMS3D XR design for photovoltaic concentrator. There can be seen that this way can be designed the high efficient concentrator that works near thermodynamic limit of concentration. The problem of uniform irradiation on the cell is resolved using the ultra short homogenizing rod. Apart of that, the presented design is very compact and suitable for mechanical and thermal management of the rest of the PV system. That brings us to Chapter IV where is presented modeling, production and characterization of CPV module with SMS3D optics, in order to prove the concept. High concentration, followed by high acceptance angle, (although still not as high as the theoretical one, but sufficiently high to lose the tolerances of the rest of the system) gave the module that had the competitive efficiency in the field of CPV. In Chapter V was explained the Köhler integration technique and were presented two different designs, XX with rotational symmetry and free-form XR concentrators. First one is a specific case of integration in one dimension, while in the other one the integration is being done in two directions of the ray bundle. Both designs have very good performances: high concentration, good acceptance angle and very good irradiance uniformity on the solar cell, what is the main characteristic of this type of designs. In this thesis is demonstrated that using nonimaging optics can be achieved simple photovoltaic systems with few components and of low cost. Finally, in the last chapter, is given the list of conclusions and future lines of investigation.