WO2009106648A1 - Dispositivo y modulo fotovoltaico de concentracion - Google Patents
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Definitions
- the present invention is encompassed in the field of photovoltaic solar energy concentration systems.
- a high geometric concentration range (ratio between the opening area of the optical system and the active area of the cell greater than 500);
- Figure 1 is a diagram of an individual device of the invention, formed by a lens called primary lens that receives solar radiation, a lens called secondary lens that receives radiation concentrated by primary lens, a solar cell that receives emerging radiation of the secondary lens and a substrate that simultaneously allows heat dissipation and electrical interconnection of the device.
- Figure 2 shows a typical embodiment of a concentration photovoltaic module based on the device of the invention.
- Figure 6 shows an overhead view of a typical configuration for the association of primary lenses by means of a positioning piece.
- Figure 7 shows the same configuration of Figure 6 using an association piece between primary lenses with optical functionality.
- the primary lens (10) is a flat surface lens; spherical or spherical designed in such a way that it focuses the light coming from the sun on the secondary lens input surface (20) or on the solar cell (30).
- the lens is composed of two surfaces: an input surface (11) that receives the radiation from the sun, and an output surface (12) through which the concentrated radiation is transmitted. Any of these surfaces can have a Fresnel lens type structure that allows to reduce the thickness while retaining all the optical properties.
- the secondary lens (20) has at least two optical surfaces: a spherical, flat or spherical inlet surface (21), and a flat, spherical or spherical outlet surface (23).
- the lens has a third surface of optical functionality (22). This surface is usually designed in such a way that the rays that come from the primary lens (10) and affect the input surface (21) of the secondary lens (20) are directed to the lateral surface (22) with an angle such that they are reflected by total internal reflection and cross the output surface (23) to then influence the solar cell (30).
- the device further comprises: a protective layer (11) on the incident face, on the primary lens (10); Adhesion means (11A) selected from mechanical, chemical, encapsulating optical substances and combinations thereof to adhere the protective layer (11) on the primary lens (10).
- Adhesion means (11A) selected from mechanical, chemical, encapsulating optical substances and combinations thereof to adhere the protective layer (11) on the primary lens (10).
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Abstract
Dispositivo y módulo fotovoltaico de concentración, teniendo el dispositivo: una lente primaria (10) configurada para concentrar radiación solar incidente y generar una primera radiación concentrada; una célula solar (30) configurada para recoger Ia primera radiación concentrada; un substrato (40) para conexión eléctrica y disipación térmica de Ia célula solar; estando Ia célula solar (30) y el substrato (40) asociados eléctricamente para formar una unidad de generación eléctrica. El módulo fotovoltaico de concentración tiene una serie de los dispositivos descritos.
Description
DISPOSITIVO Y MÓDULO FOTOVOLTAICO DE CONCENTRACIÓN
Campo de Ia invención
La presente invención se engloba en el campo de los sistemas de concentración de energía solar fotovoltaica.
Antecedentes de Ia invención
Uno de los principales obstáculos para una mayor implantación de los sistemas fotovoltaicos en Ia generación de energía eléctrica es su elevado coste. Entre los distintos elementos de un módulo fotovoltaico, el material semiconductor, Ia oblea de silicio, es el de mayor coste: las estimaciones habituales apuntan que el coste del silicio de grado solar supone el 50% del coste total de un módulo. Una de las vías con mayor potencial para obtener sistemas más baratos es el uso un sistema óptico de concentración. Este sistema óptico permite captar Ia luz incidente sobre un determinado área y focalizarla en una célula solar de un tamaño menor. De esta forma, se ahorra una gran cantidad de material semiconductor para un área de captación de luz equivalente. Además, las células solares pueden alcanzar mayor eficiencia cuando trabajan bajo luz concentrada.
Atendiendo a Ia configuración del sistema óptico utilizado existen dos grandes grupos de sistemas de concentración:
- sistemas que se basan en Ia refracción (lentes); y,
- los que utilizan espejos, es decir, basados en Ia reflexión especular.
En los primeros Ia solución más ampliamente utilizada es Ia denominada lente de Fresnel; entre los segundos, Io más habitual es emplear espejos parabólicos. Hasta el momento se han presentado muy diversas soluciones para Ia implementación de sistemas fotovoltaicos de concentración.
Descripción de Ia invención
La presente invención propone un sistema óptico que comprende dos lentes de superficies aesféricas junto con una célula solar para obtener un módulo fotovoltaico de concentración que reúne las siguientes características:
- Un rango de concentración geométrica alto (razón entre área de apertura del sistema óptico y área activa de Ia célula mayor de 500);
- Alta eficiencia de transmisión luminosa (superior al 80%); - Aceptancia angular amplia;
- Bajo coste de fabricación;
- Alta modularidad.
Breve descripción de los dibujos A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor Ia invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 es un esquema de un dispositivo individual de Ia invención, formado por una lente denominada lente primaria que recibe Ia radiación solar, una lente denominada lente secundaria que recibe Ia radiación concentrada por Ia lente primaria, una célula solar que recibe Ia radiación emergente de Ia lente secundaria y un sustrato que permite simultáneamente Ia disipación de calor y Ia interconexión eléctrica del dispositivo. La Figura 2 muestra una realización típica de un módulo fotovoltaico de concentración basado en el dispositivo de Ia invención.
La Figura 3 es una vista del interior del módulo de esta realización típica de Ia configuración típica de un módulo de concentración basado en Ia asociación de sistemas individuales formados por: una lente primaria, una lente secundaria, una célula solar y un sustrato.
La Figura 4 muestra un detalle de Ia configuración de Ia figura 3 en Ia que se indican: lente primaria, lente secundaria, célula solar, sustrato de interconexión eléctrica y térmica, medios de posicionamiento de Ia lente primaria, pieza de separación para situar Ia lente secundaria a Ia distancia focal de Ia lente primaria. La Figura 5 es una sección transversal del módulo de concentración en Ia que se muestran el panel protector frontal fabricado en un material transparente y los medios de adhesión entre las lentes primarias y dicho panel protector frontal.
La Figura 6 muestra una visión cenital de una configuración típica para Ia asociación de lentes primarias mediante una pieza de posicionamiento. La Figura 7 muestra Ia misma configuración de Ia figura 6 utilizando una pieza de asociación entre lentes primarias con funcionalidad óptica.
La Figura 8 muestra una configuración de asociación de lentes primarias formando una pieza única enteriza sin solución de continuidad entre las lentes primarias de cada dispositivo individual concentrador. La Figura 9 muestra un sustrato de interconexión eléctrica y disipación térmica
destinado a asociar las células solares eléctricamente.
Descripción de una realización preferida de Ia invención
La configuración típica del módulo fotovoltaico de concentración de Ia invención comprende Ia asociación eléctrica y mecánica de dispositivos individuales de concentración, comprendiendo cada dispositivo: 2 lentes (10, 20), una célula solar fotovoltaica (30) y un substrato (40) para Ia interconexión eléctrica y Ia disipación de calor. El conjunto de sistemas individuales asociados se cierran en un cofre o caja mediante un marco lateral, un vidrio o plástico frontal transparente y unos paneles posteriores. De este cofre o caja se extrae Ia conexión eléctrica del módulo. Otra posible configuración del módulo es Ia asociación de los dispositivos individuales de concentración con una sola lente, es decir, formados por: una lente primaria (10), una célula solar fotovoltaica (30) y un substrato (40) para Ia interconexión eléctrica y Ia disipación de calor. El dispositivo fotovoltaico de concentración individual de Ia invención está basado en un sistema óptico representado en Ia figura 1. Comprende una o dos lentes, genéricamente llamadas lente primaria (10) y lente secundaria (20).
La lente primaria (10) es una lente de superficies planas; esféricas o aesféricas diseñada de tal forma que focaliza Ia luz proveniente del sol sobre Ia superficie de entrada de lente secundaria (20) o sobre Ia célula solar (30). En Ia configuración más habitual, Ia lente esta compuesta por dos superficies: una superficie de entrada (11) que recibe Ia radiación del sol, y una superficie de salida (12) por Ia que se transmite Ia radiación concentrada. Cualquiera de estas superficies puede presentar una estructura tipo lente de Fresnel que permite reducir el espesor conservando todas las propiedades ópticas.
La lente secundaria (20) tiene, al menos, dos superficies ópticas: una superficie de entrada (21 ) esférica, plana o aesférica, y una superficie de salida (23) plana, esférica o aesférica. En otras configuraciones, Ia lente tiene una tercera superficie de funcionalidad óptica (22). Esta superficie suele diseñarse de forma que los rayos que provienen de Ia lente primaria (10) e inciden sobre Ia superficie de entrada (21) de Ia lente secundaria (20) se dirigen a Ia superficie lateral (22) incidiendo con un ángulo tal que se reflejan por reflexión total interna y atraviesan Ia superficie de salida (23) para incidir a continuación sobre Ia célula solar (30).
Así, una realización de Ia invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico de concentración que comprende:
una lente primaría (10) configurada para concentrar radiación solar incidente y generar una primera radiación concentrada; una célula solar (30) configurada para recoger Ia primera radiación concentrada; un substrato (40) para conexión eléctrica y disipación térmica de Ia célula solar; estando Ia célula solar (30) y el substrato (40) asociados eléctricamente para formar una unidad de generación eléctrica.
En otra realización de Ia invención, el dispositivo comprende una lente secundaria (20) entre Ia lente primaria (10) y Ia célula solar (30), configurada para recoger Ia, primera radiación concentrada y generar una segunda radiación concentrada.
Por otro lado, al menos una lente seleccionada entre Ia lente primaria (10) y Ia lente secundaria (20) tiene una superficie óptica seleccionada entre una superficie plana, esférica y aesférica en Ia superficie de entrada (11, 21 ) y en Ia superficie de salida (12, 23). Adicionalmente, el dispositivo además comprende al menos una pieza de separación vertical (60) para situar Ia lente secundaria (20) a una distancia focal de Ia lente primaria (10).
Conforme a otra realización de Ia invención, el dispositivo además comprende: una capa de protección (11) en Ia cara de incidencia, sobre Ia lente primaria (10); medios de adhesión (11A) seleccionados entre mecánicos, químicos, sustancias ópticas encapsulantes y combinaciones de los mismos para adherir Ia capa de protección (11) sobre Ia lente primaria (10).
Otro aspecto de Ia invención se refiere a un módulo fotovoltaico de concentración que comprende una pluralidad de dispositivos de los descritos anteriormente.
De acuerdo con otra realizacion.de Ia invención, el módulo además comprende una pieza de posicionamiento (50) para agrupar una pluralidad de lentes primarías (10) y para situar cada lente primaria (10) sobre un elemento seleccionado entre una célula (30) y una lente secundaria (20). En un módulo de Ia invención, Ia pieza de posicionamiento (50) tiene una funcionalidad óptica (10A) para concentrar Ia radiación incidente en su superficie sobre un elemento seleccionado entre una célula (30) y una lente secundaria (20).
Conforme a otra realización del módulo, las lentes primarias (10) están asociadas entre sí sin solución de continuidad para formar una pieza mecánica única (70).
En otra realización de Ia invención, un conjunto de elementos seleccionado entre una pluralidad de células solares (30) y una pluralidad de células solares (30) y lentes secundarias (20) está situado sobre un sustrato único (40A) configurado para realizar Ia función de interconexión eléctrica, disipación térmica y posicionamiento espacial de cada una de ellas.
Claims
1. Un dispositivo fotovoltaico de concentración caracterizado porque comprende: una lente primaria (10) configurada para concentrar radiación solar incidente y generar una primera radiación concentrada; una célula solar (30) configurada para recoger Ia primera radiación concentrada; un substrato (40) para conexión eléctrica y disipación térmica de Ia célula solar; estando Ia célula solar (30) y el substrato (40) asociados eléctricamente para formar una unidad de generación eléctrica.
2. El dispositivo de Ia reivindicación 1 caracterizado porque además comprende: una lente secundaria (20) entre Ia lente primaria (10) y Ia célula solar (30), configurada para recoger Ia primera radiación concentrada y generar una segunda radiación concentrada.
3. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1-2 caracterizado porque además comprende al menos una pieza de separación vertical (60) para situar Ia lente secundaria (20) a una distancia focal de Ia lente primaria (10).
4. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1-3 caracterizado porque además comprende: una capa de protección (11 ) en Ia cara de incidencia, sobre Ia lente primaria (10); medios de adhesión (11A) seleccionados entre mecánicos, químicos, sustancias ópticas encapsulantes y combinaciones de los mismos para adherir Ia capa de protección (11) sobre Ia lente primaria (10).
5. Un módulo fotovoltaico de concentración caracterizado porque comprende una pluralidad de dispositivos conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1-4.
6. El módulo de Ia reivindicación 5 caracterizado porque además comprende una pieza de posicionamiento (50) para agrupar una pluralidad de lentes primarias (10) y para situar cada lente primaria (10) sobre un elemento seleccionado entre una célula (30) y una lente secundaria (20).
7. El módulo de Ia reivindicación 6 caracterizado porque Ia pieza de posicionamiento (50) tiene una funcionalidad óptica (10A) para concentrar Ia radiación incidente en su superficie sobre un elemento seleccionado entre una célula (30) y una lente secundaria (20).
8. El módulo de Ia reivindicación 5 caracterizado porque las lentes primarias (10) están asociadas entre sí sin solución de continuidad para formar una pieza mecánica única (70).
9. El módulo de cualquiera de las reivindicaciones 5-8 caracterizado porque un conjunto de elementos seleccionado entre una pluralidad de células solares (30) y una pluralidad de células solares (30) y lentes secundarias (20) está situado sobre un sustrato único (40A) configurado para realizar Ia función de interconexión eléctrica, disipación térmica y posicionamiento espacial de cada una de ellas.
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