Tesis doctoral de Aleksandra Cvetkovic
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 kí¶hler. 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 kí¶hler 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 kí¶hler 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 kí¶hler 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.
Datos académicos de la tesis doctoral «Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas«
- Título de la tesis: Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas
- Autor: Aleksandra Cvetkovic
- Universidad: Politécnica de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 27/04/2009
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Juan Carlos Miñano Domínguez
- Tribunal
- Presidente del tribunal: Antonio Luque lópez
- richard john Koshel (vocal)
- pedro Antonio Banda rueda (vocal)
- ralf Leutz (vocal)