WO2012131123A1 - Módulo de concentración solar fotovoltaica - Google Patents

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WO2012131123A1
WO2012131123A1 PCT/ES2012/000079 ES2012000079W WO2012131123A1 WO 2012131123 A1 WO2012131123 A1 WO 2012131123A1 ES 2012000079 W ES2012000079 W ES 2012000079W WO 2012131123 A1 WO2012131123 A1 WO 2012131123A1
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photovoltaic
housing
concentration module
solar concentration
receivers
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PCT/ES2012/000079
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Sebastián CAPARRÓS JIMÉNEZ
Antonio DE DÍOS PARDO
Carlos MARTÍN MAROTO
José Antonio PÉREZ GARCÍA DE CASTRO
Carlos POZO BLASCO
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Abengoa Solar New Technologies SA
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    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention belongs to the technical field of photovoltaic solar modules for the use of solar energy for the production of electrical energy, specifically to high concentration photovoltaic solar modules, and more specifically to modules formed by a parquet of concentrating lenses, optical elements secondary, and high-efficiency photovoltaic cells, all arranged in a housing, together with auxiliary systems, such as heat dissipation systems, electrical insulation systems and protection systems.
  • WO2006114457, US2009106648 and WO 2009058603 show the typical scheme of operation of a photovoltaic solar concentration system.
  • This system consists of light concentrating lenses on photovoltaic receivers, and secondary optical elements that provide the system with greater concentration.
  • Various systems that use concentrating lenses have been proposed with and without secondary optics.
  • the present invention provides solutions for the improvement of the functional performance of the photovoltaic modules.
  • the module object of the present invention has an optical system capable of providing sufficient concentration and doing it efficiently. It also has high efficiency cells, and adequate thermal management systems, cost efficient, in addition to electrical insulation systems that prevent current leakage with the potential to cause dangerous situations in their handling. Additionally, the module has adequate ventilation systems that eliminate condensation problems inside it.
  • the module of the present invention consists of a series of elements that can be displayed externally and others that are housed inside it.
  • the module is formed by a parquet of lenses that concentrate the light on photovoltaic receivers, all supported by a frame that can be metallic or polymeric. On the back of the module there are linear heat sinks.
  • the module features a number of elements such as secondary optical elements, electrically connected photovoltaic receivers, plastic parts for the electrical isolation of the receivers as well as clipping parts. Additionally, the module features a valve system for external ventilation and off-focus protection systems, that is, systems to prevent damage to internal elements by deviations of light rays.
  • the photovoltaic receivers are formed by a surface of copper or other conductive material on which at least one photovoltaic cell, a protection diode and the corresponding photovoltaic receiver connectors are arranged.
  • the module has a parquet of concentrating lenses that are arranged in the upper part of the housing and close it tightly, in a plane parallel to that of the base on which the photovoltaic receivers are.
  • the lens parquet is made using silicone bonded on glass.
  • the number of concentrating lenses is equal to that of photovoltaic receivers and each of the concentrating lenses is arranged on the axis of one of the photovoltaic receivers.
  • each of the pieces contains the space necessary to accommodate at least one photovoltaic receiver and there is a secondary optical element adhered by means of a silicone on each of the photovoltaic cells of each receiver photovoltaic
  • the lenses focus the light on the secondary optical elements that transfer it to the cells of the photovoltaic receivers.
  • the photovoltaic solar concentration module object of the present invention has an electrical isolation system of the photovoltaic receivers, in order to avoid current leakage.
  • This electrical insulation system consists of plastic parts, preferably made by molding. These plastic parts are non-conductive elements of electricity, so they constitute a barrier to current leakage.
  • the electrical isolation system of the photovoltaic receivers also has a thermal interface (pad or thermal paste) arranged in the housing of each of the plastic parts, under the photovoltaic receiver, which electrically isolates said photovoltaic receiver avoiding current leakage. Also, said pad or paste transmits the heat generated in the photovoltaic receiver to the heat sinks, this prevents overheating of the cell. If this pad or paste is adhesive, it will act as a means of securing the photovoltaic receiver.
  • a thermal interface pad or thermal paste
  • the photovoltaic receiver can be attached to the plastic part by means of at least one slide or clipping piece.
  • Said clipping piece is a piece complementary to the main body that can slide internally over it until it is placed above the photovoltaic receiver, exerting a uniform pressure on it.
  • the electrical isolation system of the photovoltaic solar concentration module has two pieces for each piece of plastic located on two opposite sides of the body. These clipping pieces slide through cavities made in the piece of plastic being in turn fixed to it. In this way, the clipping pieces exert a uniform but not excessive pressure on the photovoltaic receivers, which avoids overvoltages on the receivers, which in turn could cause torsions in said receivers, causing them to break.
  • the photovoltaic solar concentration module object of the present invention can have heat dissipating elements to evacuate the heat generated in the photovoltaic receivers, improving their efficiency.
  • the photovoltaic cells of the receivers are less efficient at higher temperatures, so a system to keep it as cold as possible greatly increases its performance and life.
  • These heat dissipating elements are longitudinal and are located on the outer face of the base of the housing, each arranged under a row of photovoltaic receivers.
  • the photovoltaic solar concentration module has means of protection against solar radiation out of focus, also called "off focus". This concept refers to situations in which the lenses do not focus on the corresponding secondary elements, but instead do so on other elements of the module. If these other elements are not resistant to the amount of energy received, and are not protected, they could be damaged and cause the module to malfunction.
  • the protection means are formed by inverted "U” shaped longitudinal metal parts, each arranged on a row of secondary optical elements. These metal parts have holes arranged each of them on each of the secondary optical elements of the row. In this way, the pieces of protection against solar radiation out of focus allow the passage of solar radiation only to the secondary elements, preventing the passage of said radiation to the rest of the elements of the module, thus preventing them from being damaged.
  • the solar concentration module object of the present invention has at least one vertical support of the concentrator lens parquet. This is because the lenses basically consist of a large glass plate with a silicone profile on its lower face. If the lenses do not have central supports, they will tend to bend by the action of their own weight, and they could also break due to impacts of objects that could occur during the operation of the module.
  • the vertical support has a height equal to that of the photovoltaic solar concentration module, and is fixed to the base of the housing, usually in the central part of the module, and the parquet of concentrating lenses rests on it. This results in an optimal grip on the lens parquet and good mechanical stability.
  • An alternative embodiment of the claimed module is that the opto-electronic part is easily removable from the main body. This solves the problem of having independent access to cell strings, facilitating the maintenance of the module in the plant and minimizing the cost of possible failures.
  • This cassette system consists of the following components:
  • Off-focus protection system it is an upper part that fulfills a double function as it serves as a means of protection against out-of-focus solar radiation and also acts as a final enclosure to have the system encapsulated.
  • a metal part for securing the secondary optical element that minimizes stresses in the union with the cell and prevents unwanted displacements.
  • the cassette is characterized by occupying a very small volume, being therefore much easier to transport than the complete module.
  • the module assembly procedure it consists of sending the three fundamental elements to field installations or as close as possible. These elements are the lens parquet, the metallic or polymeric housing and the cassette. At the final assembly point these three elements are assembled.
  • this cassette system is characterized by: a) be removable
  • b) include the set of secondary optics and attached, encapsulated and interconnected cells
  • Figure 1 schematically shows the concentration of solar radiation through a concentrating lens to a secondary optical element of a photovoltaic solar concentration module object of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of a photovoltaic receiver of a concentration module of the present invention.
  • Figure 3 shows a particular embodiment of an electrical isolation system of the photovoltaic receivers of a concentration module object of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view of a preferred embodiment of a slide or clipping piece of the electrical isolation system of the photovoltaic receivers of the concentration module.
  • Figures 5 and 6 show an embodiment of a housing together with heat dissipating elements of a photovoltaic solar concentration module object of the present invention.
  • Figure 7 is a perspective view of a preferred embodiment of the invention, showing a housing together with means of protection against out-of-focus solar radiation.
  • Figure 8 shows an embodiment of the invention with vertical supports of the concentrator lens parquet and a pair of ventilation valves.
  • Figure 9 is a view of a particular embodiment of a ventilation valve of the photovoltaic solar concentration module.
  • Figures 10a, 10b and 10c show different embodiments of the concentration module housing.
  • Figure 10a is of a frame made by metal faces
  • the Figure 10b belongs to a frame of plastic structure
  • Figure 10c is a one-piece metal frame.
  • Figure 11 shows an alternative embodiment in which a cassette with all the opto-electronic components inside it is installed on the outside of the housing
  • Figure 12 shows an expanded view of the cassette
  • FIG. 13 shows the detail of an alternative embodiment of the clipping parts that fit in the electrical insulation
  • Figure 14 represents the assembly of the clipping parts and the mechanical clamping part of the secondary optics.
  • the object of the present invention is a photovoltaic solar concentration module used for the concentration of solar radiation through a parquet of concentrating lenses (18) on secondary optical elements (19) and the focusing from these on photovoltaic receivers (2) , as seen in figure 1.
  • the photovoltaic solar concentration module object of the present invention is formed by a housing (1), inside which photovoltaic receivers (2) housed in the base of said housing (1) are housed. ) aligned in rows, and interconnected with each other.
  • Each of the photovoltaic receivers (2) has a receiver surface (4), on which at least one photovoltaic cell (5), a protection diode (6), and the corresponding photovoltaic receiver connectors (2) are arranged.
  • Figure 2 schematically shows a photovoltaic receiver (2) with its essential components.
  • the photovoltaic solar concentration module has a parquet of concentrating lenses (18) arranged in the upper part of the housing (1), which close it tightly, in a plane parallel to that of the base of the housing (1) , with photovoltaic receivers (2).
  • These concentrating lenses (18) are equal in number to the photovoltaic receivers (2), and each of them is arranged on one of said photovoltaic receivers (2), whereby each concentrating lens (18) concentrates the solar radiation on a photovoltaic receiver (2).
  • a secondary optical element (19) is provided on each photovoltaic cell (5) of each photovoltaic receiver (2).
  • the photovoltaic solar concentration module has substantially cubic geometry, and according to a preferred embodiment it has a total concentration ratio of 000X, the lens being 174x74 mm, and the light focusing on a 5.5x5.5 mm cell.
  • the lens parquet is composed of 42 lenses distributed in 6 rows with 7 lenses per row.
  • the photovoltaic solar concentration module object of the present invention has an electrical isolation system of the photovoltaic receivers (2).
  • This electrical insulation system is formed by a plurality of plastic parts (8), so that each of them houses a photovoltaic receiver (2).
  • the parts (8) have a housing (9) for the photovoltaic receiver (2), said photovoltaic receiver (2) being attached to the plastic part (8).
  • the electrical isolation system of the photovoltaic receivers (2) has a pad or thermal paste (12) arranged in the housing (9) of each of the plastic parts (8), under the photovoltaic receiver (2), which electrically isolates said photovoltaic receiver (2) and transmits heat from it.
  • the photovoltaic receiver (2) can be fixed to the plastic part (8) by the pad or thermal paste (12) if it is adhesive.
  • the photovoltaic receiver (2) can be fixed to the plastic part (8) by means of at least one clipping part (10), which is fixed to the plastic part (8) and elastically holds the receiver photovoltaic (2) exerting uniform pressure on it.
  • Figure 4 shows a preferred embodiment of said clipping piece (10).
  • the electrical insulation system has two pieces of clipping (10), which are fixed to each piece of plastic (8) and fasten the photovoltaic receiver (2) on two opposite sides of the latter. .
  • these clipping pieces (10) slide through cavities (11) of the plastic part (8).
  • the materials used for molding the plastic parts (8) are polymers with a certain amount of fiberglass to give it rigidity, such as PA66 + GF30 or Schuladur PCR30.
  • the housing (9) of the plastic parts (8) will have the same dimensions as the photovoltaic receiver (2), which according to a preferred embodiment is 20x20 mm.
  • this housing (9) of the plastic parts must be designed to accommodate a thermal pad (12) that is at least 4 mm more side than the photovoltaic receiver (2), so that the housing (9) will have at least 24x24 mm.
  • Figures 5 and 6 show a particular embodiment of the invention, in which the concentration module has longitudinal heat dissipating elements (13), arranged on the outer face of the base of the housing (1). Each of them is arranged under a row of photovoltaic receivers (2), and has a plurality of longitudinal fins parallel to the rows of photovoltaic receivers (2). Therefore, according to the preferred embodiment indicated above of 6 rows of 7 photovoltaic receivers (2) each row, preferably there will be 6 heat sink elements (13), each covering 7 receivers (2). This way you get efficient heat dissipation, keeping the photovoltaic cell (5) below 90 ° C in the most adverse temperature conditions.
  • the heat dissipating elements (13) are obtained by extruded aluminum, which is an economical process, which lowers the costs of the photovoltaic solar module.
  • the photovoltaic solar concentration module object of the present invention has means of protection against out-of-focus solar radiation.
  • These protection means consist of longitudinal metal pieces (14) with an inverted "U" shape, which are each arranged on a row of secondary optical elements (19).
  • these off-focus protection pieces (4) have a plurality of holes (5) each arranged on each of the secondary optical elements (19) of the row, of such that they allow the solar radiation to pass only to the secondary elements (19) while preventing its passage to the rest of the parts of the module.
  • the module object of the present invention wherein said module has at least one vertical support (16) for the parquet of concentrating lenses (18), which has a height equal to that of the photovoltaic solar concentration module, and which is fixed to the base of the housing (1) in the central part of the module.
  • the lens parquet of concentrating lenses (18) rests on said vertical support (16) preventing the parquet from curving due to its own weight, and reducing the risk of breakage thereof due to some impact during the operation of the module.
  • the module has two vertical supports (16) arranged in the central area of the module, which will be more than enough to safely support the parquet of concentrating lenses (18).
  • the module can have two ventilation valves (17) arranged on opposite walls of the housing (1), which prevent the condensation of water inside the module, and equalize the existing pressures in the interior and exterior of said module.
  • Figure 9 belongs to a particular embodiment of one of these ventilation valves (17).
  • FIG 10 shows different embodiments of the housing (1) of the present photovoltaic solar concentration module.
  • the housing (1) can be formed by a plurality of folded, cut and welded metal faces.
  • the housing (1) is an integral plastic part, and finally, as shown in figure 10c, the housing (1) is also an integral part, but in this case made of stamped aluminum.
  • this cassette is installed in the base of the housing (1) of the photovoltaic module. It consists of the following components (figure 12)):
  • - Off-focus protection system (14) This is a top piece of the same length as the support (103) and an extruded profile with a rectangular section, which serves a double function. On the one hand it serves as a means of protection against out-of-focus solar radiation, and on the other, it serves as the final closing of the support (103) to have the encapsulated system.
  • a metal fastening part (104) composed of support and fixing points with respect to the plastic part (8) of the electrical insulation system, an intermediate zone of circular section that circles the flange of the secondary optical element (19) and an upper area formed by support points that prevent lateral movement of the secondary optical element (9).
  • the cassette is characterized by occupying a very small volume, being therefore much easier to transport than the complete module.
  • the module assembly procedure it consists of sending the three fundamental elements to field installations or as close as possible. These elements are the lens parquet, the metallic or polymeric housing and the cassette. At the final assembly point these three elements are assembled.

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Abstract

Módulo de concentración solar fotovoltaica formado por una carcasa (1) que en su interior tiene unos receptores fotovoltaicos (2) alineados en filas e interconectados entre sí, un parquet de lentes concentradoras (18) en la parte superior de la carcasa (1) cerrando ésta de forma estanca, y un elemento óptico secundario (19) sobre la célula fotovoltaica (5) de cada receptor fotovoltaico (2). El módulo tiene un sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoltaicos (2) formado por piezas de plástico (8), cada una de las cuales aloja a al menos un receptor fotovoltaico (2), en un alojamiento (9), existiendo una almohadilla térmica (12) en el alojamiento (9), bajo el receptor fotovoltaico (2), que lo aisla eléctricamente y transmite el calor desde éste. (Figura 6)

Description

MÓDULO DE CONCENTRACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA
Campo técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo técnico de los módulos solares fotovoltaicos para el aprovechamiento de la energía solar para la producción de energía eléctrica, concretamente a módulos solares fotovoltaicos de alta concentración, y más concretamente a módulos formados por un parquet de lentes concentradoras, elementos ópticos secundarios, y células fotovoltaicas de alta eficiencia, todos ellos dispuestos en una carcasa, junto con sistemas auxiliares, como sistemas disipadores térmicos, sistemas de aislamiento eléctrico y sistemas de protección.
Antecedentes de la invención
Numerosos sistemas de concentración solar fotovoltaica (CPV) han sido propuestos y desarrollados a lo largo del siglo XX hasta la actualidad. A pesar de este largo historial, estos sistemas no son actualmente competitivos en términos de coste y eficiencia con respecto a las formas tradicionales de producción de energía, y muchos de ellos no han llegado a comercializarse o bien están en las primeras fases de desarrollo. Los principales motivos pueden resumirse en que los costes de las células fotovoltaicas necesarias para esta tecnología han permanecido elevados, que no se ha procedido a una industrialización y automatización de lineas debido principalmente a que todo lo que se ha desarrollado ha sido a escala de prototipos o muy bajos volúmenes, que los diseños y tecnologías empleados no se encontraban tan evolucionados como en la actualidad, y que la fiabilidad de la tecnología no había sido comprobada en el largo plazo, lo cual es una desventaja con respecto a tecnologías más convencionales.
Los documentos WO2006114457, US2009106648 y WO 2009058603 muestran el típico esquema de funcionamiento de un sistema de concentración solar fotovoltaica. Dicho sistema consiste en lentes concentradoras de luz sobre receptores fotovoltaicos, y elementos ópticos secundarios que dotan al sistema de mayor concentración. Diversos sistemas que utilizan lentes concentradoras han sido propuestos con y sin óptica secundaria.
De forma más particular, existen diversos documentos que describen la configuración y diseño de módulos de concentración solar fotovoltaica. Por ejemplo, el documento US 2009/0126794 muestra un módulo con un marco multifuncional. Los documentos US 2008/0264469, US 7851693 muestran módulos de concentración solar fotovoltaica con elementos reflectivos, vidrios de protección y sistemas de disipación térmica. Asimismo, el documento US 2010/0101625 presenta un módulo rectangular de gran profundidad, así como el sistema de seguimiento solar asociado al mismo. Sin embargo, los sistemas presentados en el estado de la técnica no abordan específicamente algunas de las principales consideraciones que a nivel de diseño un módulo CPV debería abordar, las cuales se describirán en detalle en la descripción de la invención. El hecho de no incluir dichas consideraciones, podría derivar en costes de manufactura más elevados o rendimientos ineficientes e inseguros.
Descripción de la invención
La presente invención aporta soluciones para la mejora de las prestaciones funcionales de los módulos fotovoltaicos.
El módulo objeto de la presente invención presenta un sistema óptico capaz de proporcionar la concentración suficiente y hacerlo eficientemente. Asimismo tiene células de alta eficiencia, y sistemas de gestión térmicas adecuados, eficientes en costes, además de sistemas de aislamiento eléctricos que evitan fugas de corriente con potencial de originar situaciones peligrosas en el manejo de los mismos. Adicionalmente, el módulo presenta sistemas de ventilación adecuados que eliminan problemas de condensación en el interior del mismo. El módulo de la presente invención consta de una serie de elementos que pueden ser visualizados exteriormente y otros que se encuentran alojados en el interior del mismo.
Exteriormente el módulo está formado por un parquet de lentes que concentran la luz sobre unos receptores fotovoltaicos, todo ello sostenido por un marco que puede ser metálico o polimérico. En la parte posterior del módulo existen unos disipadores térmicos lineales.
En el interior del módulo existen una serie de elementos tales como elementos ópticos secundarios, receptores fotovoltaicos conectados eléctricamente, piezas de plástico para el aislamiento eléctrico de los receptores así como piezas de clipado. Adicionalmente, el módulo presenta un sistema de válvulas para la ventilación externa y sistemas de protección off focus, es decir, sistemas para evitar daños a elementos internos por desviaciones de rayos de luz.
Los receptores fotovoltaicos están formados por una superficie de cobre u otro material conductor sobre la que están dispuestos al menos una célula fotovoltaica, un diodo de protección y los correspondientes conectores del receptor fotovoltaico. El módulo tiene un parquet de lentes concentradoras que están dispuestas en la parte superior de la carcasa y cierran esta de forma estanca, en un plano paralelo al de la base en la que están los receptores fotovoltaicos. El parquet de lentes está realizado mediante silicona adherida sobre vidrio.
El número de lentes concentradoras es igual al de receptores fotovoltaicos y cada una de las lentes concentradoras está dispuesta sobre el eje de uno de los receptores fotovoltaicos.
Para mejorar la eficiencia óptica y el ángulo de aceptancia del módulo, cada una de las piezas contiene el espacio necesario para alojar a al menos un receptor fotovoltaico y existe un elemento óptico secundario adherido mediante una silicona sobre cada una de las células fotovoltaicas de cada receptor fotovoltaico. Así, las lentes focalizan la luz sobre los elementos ópticos secundarios que la transfieren a las células de los receptores fotovoltaicos.
El módulo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención tiene un sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoltaicos, con el objeto de evitar fugas de corriente.
Este sistema de aislamiento eléctrico está formado por unas piezas de plástico, preferentemente realizadas por moldeo. Estas piezas de plástico son elementos no conductores de la electricidad, por lo que constituyen una barrera para la fuga de corriente.
El sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoltaicos presenta además una interfase térmica (almohadilla o pasta térmica) dispuesta en el alojamiento de cada una de las piezas de plástico, bajo el receptor fotovoltaico, la cual aisla eléctricamente dicho receptor fotovoltaico evitando fugas de corriente. Asimismo, dicha almohadilla o pasta transmite el calor generado en el receptor fotovoltaico hacia los disipadores térmicos, ello evita el sobrecalentamiento de la célula. Si esta almohadilla o pasta es adhesiva, actuará como medio de sujeción del receptor fotovoltaico.
Particularmente, el receptor fotovoltaico puede quedar sujeto a la pieza de plástico mediante al menos una corredera o pieza de clipado. Dicha pieza de clipado es una pieza complementaria al cuerpo principal que puede deslizar internamente sobre él hasta situarse encima del receptor fotovoltaico, ejerciendo una presión uniforme sobre el mismo.
De forma preferente, el sistema de aislamiento eléctrico del módulo de concentración solar fotovoltaica tiene dos piezas por cada pieza de plástico ubicadas en dos laterales opuestos del cuerpo. Estas piezas de clipado deslizan a través de unas cavidades practicadas en la pieza de plástico quedando a su vez fijadas a ésta. De esta forma, las piezas de clipado ejercen sobre los receptores fotovoltaicos una presión uniforme pero no excesiva, lo que evita sobretensiones sobre los receptores, que a su vez podrían originar torsiones en dichos receptores, causando la rotura de éstos.
Adicionalmente, el módulo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención puede disponer de elementos disipadores de calor para evacuar el calor generado en los receptores fotovoltaicos, mejorando la eficiencia de éstos. Las células fotovoltaicas de los receptores son menos eficientes a mayor temperatura, por lo que un sistema para mantenerla lo más fría posible incrementa enormemente su rendimiento y vida útil.
Estos elementos disipadores de calor son longitudinales y están situados en la cara externa de la base de la carcasa, cada uno de ellos dispuesto bajo una fila de receptores fotovoltaicos.
Según una realización particular de la invención, el módulo de concentración solar fotovoltaica tiene medios de protección contra la radiación solar fuera de foco, también llamada "off focus". Este concepto hace referencia a situaciones en las que las lentes no focalizan en los elementos secundarios correspondientes, sino que lo hacen en otros elementos del módulo. Si estos otros elementos no son resistentes a la cantidad energética recibida, y no están protegidos, podrían verse dañados y provocar fallos en el funcionamiento del módulo.
Estos medios de protección están formados por unas piezas metálicas longitudinales con forma de "U" invertida, dispuestas cada una de ellas sobre una fila de elementos ópticos secundarios. Estas piezas metálicas tienen unos orificios dispuestos cada uno de ellos sobre cada uno de los elementos ópticos secundarios de la fila. De esta forma, las piezas de protección contra la radiación solar fuera de foco permiten el paso de la radiación solar únicamente a los elementos secundarios, impidiendo el paso de dicha radiación al resto de elementos del módulo, evitando así que sean dañados. De forma particular, el módulo de concentración solar objeto de la presente invención presenta al menos un soporte vertical del parquet de lentes concentradoras. Esto es debido a que las lentes consisten básicamente en una gran plancha de vidrio con perfil de silicona en su cara inferior. Si las lentes no tienen soportes centrales, tenderán a curvarse por acción de su propio peso, y además podrían romperse debido a impactos de objetos que pudieran darse durante el funcionamiento del módulo.
Por ello, el soporte vertical tiene una altura igual a la del módulo de concentración solar fotovoltaica, y se fija a la base de la carcasa, normalmente en la parte central del módulo, y el parquet de lentes concentradoras apoya sobre éste. Con ello se consigue una óptima sujeción del parquet de lentes y buena estabilidad mecánica del mismo. Una realización alternativa del módulo reivindicado consiste en que la parte opto- electrónica sea fácilmente desmontable del cuerpo principal. Con ello se solventa el problema de tener acceso independiente a los strings de células, facilitando las labores de mantenimiento del módulo en planta y minimizando el coste ante posibles fallos.
Este sistema cassette, está formado por los siguientes componentes:
- Soporte, fabricado en aluminio eximido, que alberga a todas las piezas internas, con aletas especialmente diseñadas para posibilitar la correcta disipación térmica.
- Dos tapas laterales.
- Sistema de protección off-focus: se trata de una pieza superior que cumple una doble función ya que sirve como medio de protección contra la radiación solar fuera de foco y además hace las veces de cerramiento final para tener el sistema encapsulado.
- Elementos ópticos secundarios, debidamente sujetos a los receptores fotovoltaicos, estando dichos receptores interconectados entre sí.
- Receptores fotovoltaicos.
- Sistema de aislamiento eléctrico, formado por una pieza de plástico y una interfase térmica que puede ser almohadilla o pasta térmica.
- Piezas de clipado o correderas que encajan en el sistema de aislamiento eléctrico y que se fabrican en resina de poliéster (Rynite ®). Estas piezas de clipado pueden fabricarse como parte de la pieza de plástico del aislamiento eléctrico, formando así un único elemento.
- Una pieza metálica de sujeción del elemento óptico secundario que minimiza esfuerzos en la unión con la célula y evita desplazamientos no deseados.
El cassette se caracteriza por ocupar un volumen muy reducido, siendo por ello mucho más fácil de transportar que el módulo completo.
En cuanto al procedimiento de montaje del módulo consiste en enviar los tres elementos fundamentales a instalaciones en campo o lo más cerca posible. Dichos elementos son el parquet de lentes, la carcasa metálica o polimérica y el cassette. En el punto de montaje final se ensamblan estos tres elementos.
Una vez ensamblados y con los equipos pertinentes, como un simulador solar o caracterizador de componentes fotovoltaicos, se realizan las medidas y pruebas para la cualificación del módulo y su instalación.
Así pues, este sistema cassette se caracteriza por: a) ser desmontable,
b) incluir el conjunto de ópticas secundarias y células pegadas, encapsuladas e interconectadas,
c) incorporar elementos de clipado y aislamiento eléctrico,
d) incorporar sistemas de protección off focus,
e) incorporar las piezas que proporcionan la necesaria disipación térmica. Descripción de las figuras
A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.
La figura 1 muestra de forma esquemática la concentración de la radiación solar a través de una lente concentradora a un elemento óptico secundario de un módulo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención.
La figura 2 es una representación esquemática de un receptor fotovoltaico de un módulo de concentración de la presente invención.
La figura 3 muestra una realización particular de un sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoltaicos de un módulo de concentración objeto de la presente invención.
La figura 4 es una vista en perspectiva de una realización preferente de una corredera o pieza de clipado del sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoltaicos del módulo de concentración.
Las figuras 5 y 6 muestran una realización de una carcasa junto con unos elementos disipadores de calor de un módulo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención.
La figura 7 es una vista en perspectiva de una realización preferente de la invención, que muestra una carcasa junto con unos medios de protección contra la radiación solar fuera de foco.
La figura 8 muestra una realización de la invención con soportes verticales del parquet de lentes concentradoras y un par de válvulas de ventilación.
La figura 9 es una vista de una realización particular de una válvula de ventilación del módulo de concentración solar fotovoltaica.
Las figuras 10a, 10b y 10c muestran diferentes realizaciones de la carcasa del módulo de concentración. La figura 10a es de un marco realizado mediante caras metálicas, la figura 10b pertenece a un marco de estructura plástica, y la figura 10c es un marco metálico de una sola pieza.
La figura 11 muestra una realización alternativa en la que se instala por la parte exterior de la carcasa un cassette con todos los componenetes opto-electrónicos en su interior
La figura 12 muestra una vista expandida del cassette
La figura 13 muestra el detalle de una realización alternativa de las piezas de clipado que encajan en el aislamiento eléctrico
La figura 14 representa el ensamblaje de las piezas de clipado y de la pieza de sujeción mecánica de la óptica secundaria.
En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:
1. carcasa del módulo de concentración solar fotovoltaica
2. receptores fotovoltaicos
4. superficie conductora del receptor fotovoltaico
5. célula fotovoltaica
6. diodo de protección
7. soporte vertical del parquet de lentes concentradoras
8. piezas de plástico del sistema de aislamiento eléctrico
9. alojamiento de las piezas de plástico para el receptor fotovoltaico
10. piezas de clipado o correderas para la sujeción del receptor fotovoltaico a la pieza de plástico
11. cavidad de la pieza de plástico para la introducción de la pieza deslizante de clipado
12. almohadilla térmica del sistema de aislamiento eléctrico
13. elementos disipadores de calor longitudinales
14. sistema de protección off-focus
15. orificios del sistema de protección off-focus
16. soportes verticales de las lentes concentradoras
17. válvulas de ventilación
18. lente concentradora
1 Θ. elemento óptico secundario
102. tapas laterales
103. soporte
104. pieza metálica de sujeción mecánica de la óptica secundaria. Descripción de realizaciones preferentes de la invención
El objeto de la presente invención es un módulo de concentración solar fotovoltaica utilizado para la concentración de la radiación solar a través de un parquet de lentes concentradoras (18) sobre elementos ópticos secundarios (19) y la focalización desde éstos sobre receptores fotovoltaicos (2), como se observa en la figura 1.
Tal y como se puede apreciar en las figuras, el módulo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención está formado por una carcasa (1), en cuyo interior se alojan unos receptores fotovoltaicos (2) dispuestos en la base de dicha carcasa (1) alineados en filas, e interconectados entre sí. Cada uno de los receptores fotovoltaicos (2) tiene una superficie de receptor (4), sobre la que están dispuestos al menos una célula fotovoltaica (5), un diodo de protección (6), y los correspondientes conectores del receptor fotovoltaico (2). La figura 2 muestra de forma esquemática un receptor fotovoltaico (2) con sus componentes esenciales.
Adicionalmente, el módulo de concentración solar fotovoltaica tiene un parquet de lentes concentradoras (18) dispuestas en la parte superior de la carcasa (1), que cierran ésta de forma estanca, en un plano paralelo al de la base de la carcasa (1), con los receptores fotovoltaicos (2). Estas lentes concentradoras (18) son iguales en número a los receptores fotovoltaicos (2), y cada una de ellas está dispuesta sobre uno de dichos receptores fotovoltaicos (2), por lo que cada lente concentradora (18) concentra la radiación solar sobre un receptor fotovoltaico (2).
Para mejorar la focalización y concentración de la radiación solar sobre los receptores fotovoltaicos, sobre cada célula fotovoltaica (5) de cada receptor fotovoltaico (2) se dispone un elemento óptico secundario (19).
El módulo de concentración solar fotovoltaica tiene geometría sustancialmente cúbica, y según una realización preferente presenta una relación de concentración total de 000X, siendo la lente de 174x 74 mm, y focalizándose la luz en una célula de 5.5x5.5 mm. Preferentemente, el parquet de lentes está compuesto por 42 lentes distribuidas en 6 filas con 7 lentes por fila.
Tal y como se puede observar representado en las figuras 3 a 4, el módulo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención tiene un sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoltaicos (2). Este sistema de aislamiento eléctrico está formado por una pluralidad de piezas de plástico (8), de tal forma que cada una de las cuales aloja a un receptor fotovoltaico (2). Como se observa en la figura 3, las piezas (8) tienen un alojamiento (9) para el receptor fotovoltaico (2), quedando sujeto dicho receptor fotovoltaico (2) a la pieza de plástico (8).
Además, el sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoltaicos (2) tiene una almohadilla o pasta térmica (12) dispuesta en el alojamiento (9) de cada una de las piezas de plástico (8), bajo el receptor fotovoltaico (2), la cual aisla eléctricamente dicho receptor fotovoltaico (2) y transmite el calor desde éste.
El receptor fotovoltaico (2) puede fijarse a la pieza de plástico (8) mediante la propia almohadilla o pasta térmica (12) si esta es adhesiva. Además, particularmente, el receptor fotovoltaico (2) puede fijarse a la pieza de plástica (8) mediante al menos una pieza de clipado (10), la cual se fija a la pieza de plástico (8) y sujeta de forma elástica el receptor fotovoltaico (2) ejerciendo presión uniforme sobre éste. La figura 4 muestra una realización preferente de dicha pieza de clipado (10).
De acuerdo con una realización preferente de la invención, el sistema de aislamiento eléctrico tiene dos piezas de clipado (10), las cuales se fijan a cada pieza de plástico (8) y sujetan al receptor fotovoltaico (2) en dos laterales opuestos de éste. Preferentemente, estas piezas de clipado (10) deslizan a través de unas cavidades (11) de la pieza de plástico (8).
De forma preferente, los materiales utilizados para el moldeo de las piezas de plástico (8) son polímeros con cierta cantidad de fibra de vidrio para darle rigidez, tales como PA66+GF30 o Schuladur PCR30.
El alojamiento (9) de las piezas plásticas (8) tendrá las mismas dimensiones que el receptor fotovoltaico (2), el cual según una realización preferente es de 20x20 mm. Además, preferentemente este alojamiento (9) de las piezas plásticas debe estar diseñado para poder alojar una almohadilla térmica (12) que tenga al menos 4 mm más de lado que el receptor fotovoltaico (2), por lo que el alojamiento (9) tendrá como mínimo 24x24 mm.
Las figuras 5 y 6 muestran una realización particular de la invención, en la que el módulo de concentración tiene unos elementos disipadores de calor (13) longitudinales, dispuestos en la cara externa de la base de la carcasa (1). Cada uno de ellos está dispuesto bajo una fila de receptores fotovoltaicos (2), y tiene una pluralidad de aletas longitudinales paralelas a las filas de receptores fotovoltaicos (2). Por tanto, de acuerdo con la realización preferente indicada anteriormente de 6 filas de 7 receptores fotovoltaicos (2) cada fila, preferentemente habrá 6 elementos disipadores de calor (13), cubriendo cada uno de ellos 7 receptores (2). De esta forma se consigue una eficiente disipación de calor, manteniendo a la célula fotovoltaica (5) por debajo de 90 °C en las condiciones más adversas de temperatura.
De forma preferente, los elementos disipadores de calor (13) se obtienen mediante aluminio extruído, que es un proceso económico, lo que abarata los costes del módulo solar fotovoltaico.
Preferentemente, el módulo de concentración solar fotovoltaica objeto de la presente invención dispone de medios de protección contra la radiación solar fuera de foco. Estos medios de protección consisten en unas piezas metálicas longitudinales (14) con forma de "U" invertida, que se disponen cada una de ellas sobre una fila de elementos ópticos secundarios (19). Tal y como se puede apreciar en la figura 7, estas piezas de protección off-focus ( 4) presentan una pluralidad de orificios ( 5) dispuestos cada uno de ellos sobre cada uno de los elementos ópticos secundarios (19) de la fila, de tal forma que permiten el paso de la radiación solar únicamente a los elementos secundarios (19) mientras que impiden su paso al resto de partes del módulo.
Según una realización particular del módulo objeto de la presente invención, en la que dicho módulo presenta al menos un soporte vertical (16) para el parquet de lentes concentradoras (18), que tiene una altura igual a la del módulo de concentración solar fotovoltaica, y que se fija a la base de la carcasa (1) en la parte central del módulo. De esta forma, el parquet de lentes de lentes concentradoras (18) apoya sobre dicho soporte vertical (16) evitando que el parquet se curve debido a su propio peso, y disminuyendo el riesgo de rotura de éste debido a algún impacto durante el funcionamiento del módulo. Preferentemente, tal y como muestra la figura 8, el módulo presenta dos soportes verticales (16) dispuestos en la zona central del módulo, que serán más que suficientes para soportar de forma segura el parquet de lentes concentradoras (18).
Igualmente, según muestra la misma figura 8, el módulo puede tener dos válvulas de ventilación (17) dispuestas en paredes opuestas de la carcasa (1), las cuales impiden la condensación de agua en el interior del módulo, e igualan las presiones existentes en el interior y el exterior de dicho módulo. La figura 9 pertenece a una realización particular de una de esas válvulas de ventilación (17).
La figura 10 muestra diferentes realizaciones de la carcasa (1) del presente módulo de concentración solar fotovoltaica. Según una primera realización, mostrada en la figura 10a, la carcasa (1) puede estar formada por una pluralidad de caras metálicas plegadas, cortadas y soldadas de sí. Alternativamente, tal y como se muestra en la figura 10b, la carcasa (1) es una pieza de plástico integra, y por último, según lo mostrado en la figura 10c, la carcasa (1) es también una pieza integral, pero en este caso realizada en aluminio estampado.
En las figuras 1 , 12, 13 y 14 se representa una realización alternativa en la que se describe un cassette, desmontable que permite ser trasladado de manera independiente al resto del módulo fotovoltaico (con toda la parte opto-electrónica en su interior) hasta la instalación, minimizando los costes logísticos.
Como se ve en la figura 11 , este cassette se instala en la base de la carcasa (1) del módulo fotovoltaico. Está formado por los siguientes componentes (figura 12)):
- Soporte (103), fabricado en aluminio extruido, con sección rectangular y abierto por una de las bases, que alberga a todas las piezas internas y con aletas especialmente diseñadas para posibilitar la correcta disipación térmica ( 3).
- Dos tapas laterales (102) que cierran el soporte (103) por su parte frontal y parte posterior. Estas tapas se utilizan para cerrar lateralmente el cassette y lograr su encapsulado, evitando el contacto con los agentes medioambientales.
- Sistema de protección off-focus (14): Se trata de una pieza superior de la misma longitud que el soporte (103) y de perfil extruido de sección rectangular, que cumple una doble función. Por un lado sirve como medio de protección contra la radiación solar fuera de foco, y por el otro, sirve de cerramiento final del soporte (103) para tener el sistema encapsulado.
- Una pieza metálica de sujeción (104) compuesta por unos puntos de apoyo y fijación con respecto a la pieza plástica (8) del sistema de aislamiento eléctrico, una zona intermedia de sección circular que circunvala el reborde del elemento óptico secundario (19) y una zona superior formada por unos puntos de apoyo que impiden el movimiento lateral del elemento óptico secundario ( 9).
- Elementos ópticos secundarios (19), debidamente sujetos a la superficie de los receptores fotovoltaicos (2), estando dichos receptores interconectados entre sí.
- Receptores fotovoltaicos (2)
- Sistema de aislamiento eléctrico, formado por una pieza de plástico (8) y una interfase térmica (12) que pueden ser almohadillas o pastas térmicas.
- Correderas o piezas de clipado (10) que encajan en el sistema de aislamiento eléctrico y que se fabrican en resina de poliéster (Rynite ®). Las figuras 13 y 14 reflejan cómo son las correderas y cómo es el ensamblaje de las mismas.
El cassette se caracteriza por ocupar un volumen muy reducido, siendo por ello mucho más fácil de transportar que el módulo completo. En cuanto al procedimiento de montaje del módulo consiste en enviar los tres elementos fundamentales a instalaciones en campo o lo más cerca posible. Dichos elementos son el parquet de lentes, la carcasa metálica o polimérica y el cassette. En el punto de montaje final se ensamblan estos tres elementos.
Una vez ensamblados y con los equipos pertinentes, como un simulador solar o caracterizador de componentes fotovoltaicos, se realizan las medidas y pruebas para la cualificación del módulo y su instalación
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Módulo de concentración solar fotovoltaica que comprende
una carcasa (1), en cuyo interior están alojados
una pluralidad de receptores fotovoitaicos (2) dispuestos en la base de dicha carcasa (1) alineados en filas, e interconectados entre sí, comprendiendo cada uno de ellos
- una superficie conductora de receptor (4), sobre la que están dispuestos
- al menos una célula fotovoltaica (5),
- al menos un diodo de protección (6),
- y los correspondientes conectores del receptor fotovoltaico (2) un parquet de lentes concentradoras (18),
dispuestas en la parte superior de la carcasa (1), cerrando ésta de forma estanca, en un plano paralelo al de la base con los receptores fotovoitaicos (2),
iguales en número a los receptores fotovoitaicos (2), cada una de las lentes concentradoras (18) dispuesta sobre uno de dichos receptores fotovoitaicos (2),
y una pluralidad de elementos ópticos secundarios (19), dispuestos cada uno de ellos sobre la célula fotovoltaica (5) de cada receptor fotovoltaico (2),
dicho módulo de concentración solar fotovoltaica caracterizado porque comprende un sistema de aislamiento eléctrico de los receptores fotovoitaicos (2) que comprende a su vez,
una pluralidad de piezas de plástico (8), cada una de las cuales aloja al menos un receptor fotovoltaico (2), que comprenden un alojamiento (9) para dicho receptor fotovoltaico (2),
y una interfase térmica (12) dispuesta en el alojamiento (9) de cada una de las piezas de plástico (8), bajo el receptor fotovoltaico (2) que aisla eléctricamente dicho receptor fotovoltaico (2) y actúa de transmisor de calor.
2. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación 1 , caracterizado porque el receptor fotovoltaico (2) queda sujeto a la pieza de plástico (8) mediante al menos una corredera o pieza de clipado (10) que se fija a dicha pieza de plástico (8) y sujeta de forma elástica el receptor fotovoltaico (2) ejerciendo presión uniforme sobre éste.
3. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según la reivindicación anterior, caracterizado porque el sistema de aislamiento eléctrico comprende dos piezas de clipado (10) que se fijan a cada pieza de plástico (8) y sujetan al receptor fotovoltaico (2) en dos laterales opuestos de éste.
4. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las piezas de clipado (10) deslizan a través de unas cavidades (11) de la pieza de plástico (8).
5. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una pluralidad de elementos disipadores de calor (13) longitudinales, dispuestos en la cara externa de la base de la carcasa (1), cada uno de ellos dispuesto bajo una fila de receptores fotovoltaicos (2), comprendiendo cada elemento disipador de calor (13) a su vez una pluralidad de aletas paralelas a las filas de receptores fotovoltaicos (2).
6. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende medios de protección contra la radiación solar fuera de foco, que comprenden a su vez una pluralidad de piezas metálicas longitudinales con forma de "U" invertida, dispuestas cada una de ellas sobre una fila de elementos ópticos secundarios (19), teniendo estas piezas de protección off-focus (14) una pluralidad de orificios (15) dispuestos cada uno de ellos sobre cada uno de los elementos ópticos secundarios (19) de la fila, permitiendo el paso de la radiación solar únicamente a los elementos secundarios (19) e impidiendo su paso al resto de partes del módulo.
7. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos un soporte vertical (16) del parquet de lentes concentradoras (18) que tiene una altura igual a la del módulo de concentración solar fotovoltaica, y que se fija a la base de la carcasa (1) en la parte central del módulo, apoyando sobre dicho soporte vertical (16) el parquet de lentes concentradoras (18).
8. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende dos válvulas de ventilación (17) dispuestas en paredes opuestas de la carcasa (1) que impiden la condensación de agua en el interior del módulo, e igualan las presiones existentes en el interior y el exterior de dicho módulo.
9. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la carcasa (1) comprende una pluralidad de caras metálicas plegadas, cortadas y soldadas entre sí.
10. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la carcasa (1) es una pieza de plástico integral.
11. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la carcasa (1) es una pieza de aluminio estampado integral.
12. Módulo de concentración solar fotovoltaica según reivindicación 1 caracterizado porque cuenta con uno o varios cassettes desmontables comprendiendo cada cassette:
- un soporte (103);
- dos tapas laterales (102) que cierran el soporte (103) por su parte frontal y su parte posterior,
- sistema de protección off-focus (14): una pieza superior de la misma longitud que el soporte (103) que sirve como medio de protección contra la radiación solar fuera de foco y como cerramiento final del soporte para tener el sistema encapsulado, y albergando dicho cassette en su interior:
- una pieza metálica de sujección (104) compuesta por unos puntos de apoyo y fijación con respecto a la pieza de plástico (8) del sistema de aislamiento eléctrico,
- elementos ópticos secundarios (19), debidamente sujetos a los receptores fotovoltaicos (2), estando dichos receptores interconectados entre sí,
- receptores fotovoltaicos (2), - un sistema de aislamiento eléctrico formado por una pieza de plástico (8) y una inferíase térmica (12) y
- correderas o piezas de clipado (10).
13. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según reivindicación 12, caracterizado porque el soporte (103) tiene sección rectangular y está abierto por una de las bases y comprende unos disipadores de calor (13).
14. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según reivindicación 12, caracterizado porque la pieza superior del sistema de protección off-focus (14) es un perfil extruido de sección rectangular.
15. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según reivindicación 12, caracterizado porque la pieza metálica de sujección (104) comprende una zona circular que circunvala el reborde del elemento óptico secundario (19) y una zona superior formada por unos puntos de apoyo que impiden el movimiento lateral del elemento óptico secundario (19).
16. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según reivindicación 2, caracterizado porque las correderas o piezas de clipado (10) se fabrican en resina de poliéster.
17. Módulo de concentración solar fotovoltaica, según reivindicación 2, caracterizado porque las correderas o piezas de clipado (10) se fabrican como parte de la pieza de plástico del aislamiento eléctrico (8).
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