ES2282657T3 - Modulo fotovoltaico con disipador de calor ajustable y procedimiento de fabricacion. - Google Patents

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Abstract

Un módulo fotovoltaico que comprende: un material fotovoltaico (4); y un disipador de calor (2) en comunicación térmica con el material fotovoltaico próximo a una superficie de montaje (14) del disipador de calor, comprendiendo el disipador de calor (2) una pluralidad de aletas (12) que son movibles entre una primera posición sustancialmente paralela a la superficie de montaje (14) del disipador de calor y una segunda posición sustancialmente no paralela a la superficie de montaje del disipador de calor (2).

Description

Módulo fotovoltaico con disipador de calor ajustable y procedimiento de fabricación.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un módulo fotovoltaico que tiene un disipador de calor ajustable y al procedimiento para la fabricación de tal módulo.
Antecedentes de la invención
Los módulos fotovoltaicos actualmente disfrutan de un amplio uso comercial. Por ejemplo, en aplicaciones terrestres, los módulos fotovoltaicos se usan típicamente para impulsar equipos electrónicos remotos como torres de radio, estaciones repetidoras de microondas, y boyas de navegación. Los módulos fotovoltaicos también se usan para generar potencia para aplicaciones en red. En ciertas aplicaciones, los módulos fotovoltaicos, como células fotovoltaicas individuales, se pueden cablear entre sí para formar un arreglo para que se pueda producir una potencia aumentada. Sin embargo, existe una necesidad de que los módulos fotovoltaicos proporcionen potencia aumentada con una mayor eficacia que la disponible actual-
mente.
Un origen de ineficacia, y potencia de salida disminuida, es una disminución del rendimiento de módulos fotovoltaicos a elevadas temperaturas. Se conoce que el voltaje de funcionamiento, y por tanto la potencia de salida, de los materiales fotovoltaicos disminuye a medida que la temperatura del material aumenta. El efecto es aproximadamente linealmente proporcional al inverso del cambio de temperatura del material. También se conoce que los módulos fotovoltaicos funcionan típicamente entre 20-30 grados Celsius más que la temperatura del aire ambiente. Este aumento de temperatura por encima del ambiente produce una reducción del 5-20% de la potencia de funcionamiento, dependiendo de las células o materiales fotovoltaicos particulares usados en el
módulo.
Esta reducción de la potencia de funcionamiento con la temperatura aumentada afecta a muchas configuraciones diferentes de módulos fotovoltaicos, como colectores fotovoltaicos de concentración y módulos con placas planas. Los módulos colectores de concentración usan materiales reflectores o de refracción para enfocar la luz solar a un área de superficie más pequeña de las células o materiales fotovoltaicos. Los módulos con placas planas son los módulos fotovoltaicos más comúnmente usados y son fabricados típicamente como ensamblados planos de células solares encapsulados entre un vidrio y una superficie trasera adecuada. Ambos tipos de módulos sufren una potencia de salida reducida a temperatura elevada. Por tanto, existe una necesidad de un sistema de enfriamiento pasivo para módulos fotovoltaicos que se pueda fabricar de manera económica. La aplicación de un disipador de calor con aletas fijas se conoce del documento US-A-4-118-249.
Resumen
La presente invención proporciona un módulo fotovoltaico que comprende un material fotovoltaico y un disipador de calor en comunicación térmica con el material fotovoltaico próximo a una superficie de montaje del disipador de calor. El material fotovoltaico se puede proporcionar como una célula fotovoltaica. El disipador de calor comprende una pluralidad de aletas que son movibles entre una primera posición sustancialmente paralela a la superficie de montaje del disipador de calor y una segunda posición no paralela a la superficie de montaje del disipador de calor. La orientación de las aletas en la primera posición paralela (o aplanada) se hace durante la fabricación del módulo, cuando el disipador de calor se une al material fotovoltaico para facilitar, por ejemplo, la laminación del disipador de calor al material fotovoltaico.
El disipador de calor puede comprender una lámina de polímero térmicamente conductor o una hoja de metal, y las aletas pueden estar formadas de porciones plegadas del polímero o la hoja de metal. Deseablemente, el módulo fotovoltaico puede comprender un material eléctricamente aislante dispuesto entre el disipador de calor y el material fotovoltaico para impedir la comunicación eléctrica entre el disipador de calor y el material fotovoltaico. Adicionalmente o alternativamente, el módulo fotovoltaico puede incluir un material de encapsulado dispuesto entre el disipador de calor y el material fotovoltaico. Opcionalmente, el módulo fotovoltaico puede incluir una tapa dispuesta por encima del material fotovoltaico.
Además la presente invención proporciona un procedimiento para fabricar un módulo fotovoltaico que comprende las etapas de provisión de un material fotovoltaico y provisión de un disipador de calor que tiene una superficie de montaje y que tiene una pluralidad de aletas que son movibles entre una primera posición sustancialmente paralela a la superficie de montaje y una segunda posición sustancialmente no paralela a la superficie de montaje. El procedimiento también incluye las etapas de orientación de las aletas sustancialmente paralela a la superficie de montaje y unión del disipador de calor al material fotovoltaico. Después de que el disipador de calor es unido al material fotovoltaico el procedimiento también puede incluir la etapa de orientación de las aletas en la segunda posición. En una forma de realización del procedimiento, la etapa de unión del disipador de calor puede comprender la laminación. La etapa de unión del disipador de calor puede incluir la provisión de un material eléctricamente aislante entre la superficie de montaje del disipador de calor y el material fotovoltaico y después la adhesión del disipador de calor, el material eléctricamente aislante, y el material fotovoltaico entre sí, como por laminación.
Breve descripción de los dibujos
El resumen precedente y la siguiente descripción detallada de las formas de realización preferidas de la presente invención se entenderán mejor cuando se lean en conjunción con los dibujos adjuntos, en los que:
la fig. 1 es una vista en perspectiva en despiece ordenado de un módulo fotovoltaico no enmarcado que tiene un disipador de calor con aletas dispuestas en una primera posición plegada que está adaptada para el procesamiento de acuerdo con el procedimiento de la presente invención;
la fig. 2 es una vista en alzado lateral que muestra la estructura del disipador de calor representado en la fig. 1;
la fig. 3 es una vista en perspectiva en despiece ordenado del módulo fotovoltaico de la fig. 1 con las aletas del disipador de calor dispuestas en una segunda posición extendida; y
la fig. 4 es una vista en alzado lateral que muestra la estructura del disipador de calor representado en la fig. 3.
Descripción detallada de la invención
Con referencia ahora a los dibujos en los que como números de referencia se refieren a los mismos o similares elementos a través de las diversas vistas, y en particular a la figura 1, se muestra una vista en despiece ordenado de un módulo fotovoltaico 20 de acuerdo con la presente invención. El módulo fotovoltaico 20 comprende un material fotovoltaico, que se puede proporcionar convenientemente en forma de una o más células fotovoltaicas 4 distintas o materiales fotovoltaicos de película delgada. Las células fotovoltaicas 4 son generalmente planas en la forma, y pueden tener convenientemente una forma rectangular. Sin embargo, otras formas, incluyendo formas no planas, se pueden usar de acuerdo con la presente invención.
Las células fotovoltaicas 4 pueden comprender materiales semiconductores en los que se crean pares electrón-hueco cuando se exponen a la luz para proporcionar un flujo de corriente eléctrica cuando el módulo fotovoltaico 20 se conecta a un circuito eléctrico. Las células fotovoltaicas 4 pueden estar fabricadas de silicio cristalino, silicio amorfo, diseleniuro de indio de cobre, telúrido de cadmio, arseniuro de galio, y otros materiales similares conocidos para aquellos expertos en la materia. Además, se pueden usar células y materiales fotovoltaicos comercialmente disponibles en el módulo fotovoltaico 20.
Se proporciona una tapa 10 adyacente a la superficie superior 5 de las células fotovoltaicas 4 y tiene una forma y tamaño apropiados para permitir que la tapa 10 cubra y proteja las células fotovoltaicas 4 de posibles daños. La tapa 10 puede tener una forma de superficie complementaria a la forma de la superficie de las células fotovoltaicas 4 para que la tapa 10 cubra de forma conformada las células fotovoltaicas 4. Deseablemente, la tapa 10 se selecciona de materiales que aíslan las células fotovoltaicas 4 de la humedad y permiten la transmisión de radiación electromagnética en la banda de longitud de onda que será absorbida por las células fotovoltaicas 4. Por ejemplo, la tapa 10 puede comprender un vidrio templado bajo en plomo que deja que la luz solar entre en el módulo 20.
Se puede proporcionar una capa de respaldo 6 opcional adyacente a la superficie inferior 7 de las células fotovoltaicas 4 para proporcionar apoyo estructural y/o protección a las células fotovoltaicas. Además, la capa de respaldo 6 se puede seleccionar de materiales eléctricamente no conductores, como poliéster, para aislar eléctricamente las células fotovoltaicas 4 de componentes adicionales del módulo fotovoltaico 20.
Un material de encapsulado 8 se puede proporcionar para encapsular y proteger las células fotovoltaicas 4 y para adherir los componentes del módulo fotovoltaico 20 entre sí. Por ejemplo, el material de encapsulado 8 puede estar dispuesto entre las células fotovoltaicas 4 y la tapa 10 para pegar la tapa 10 a las células fotovoltaicas 4. Asimismo, el material de encapsulado 8 puede estar dispuesto entre las células fotovoltaicas 4 y la capa de respaldo 6 para pegar la capa de respaldo 6 a las células fotovoltaicas 4. El material de encapsulado 8 dispuesto entre la tapa 10 y las células fotovoltaicas 4 debería ser ópticamente transmisivo para la radiación electromagnética en la banda de longitud de onda que será absorbida por las células fotovoltaicas 4. Además, el material de encapsulado 6 debería tener propiedades químicas y resistentes al calor compatibles con las condiciones ambientales bajo las que el módulo fotovoltaico 20 será operado. Ejemplos de tales materiales de encapsulado incluyen etileno acetato de vinilo (EVA) y EVA estabilizado con UV. Tales materiales proporcionan protección contra la humedad a las células fotovoltaicas, la cual es una de las características deseadas del material de encapsulado 8. El material de encapsulado 8 también puede comprender un material no conductor, en cuyo caso la capa de respaldo 6 opcional se puede omitir.
El módulo fotovoltaico 20 también incluye un disipador de calor 2 compuesto de un material térmicamente conductor, como una hoja de aluminio o una hoja de aluminio anodizada, adyacente a la capa de respaldo 6 opcional. Una ventaja de usar materiales ópticamente reflectores por naturaleza, como la hoja de aluminio, es que la luz solar no absorbida se puede volver a reflejar en las células 4 por el disipador de calor 2, aumentando así la potencia producida por el módulo fotovoltaico 20. Opcionalmente, el disipador de calor 2 puede estar recubierto de un material ópticamente reflector. Si no se usa la capa de respaldo 6 opcional, el disipador de calor 2 se proporciona adyacente al material de encapsulado 8. Ya que el disipador de calor 2 comprende un material térmicamente conductor, la característica eléctricamente no conductora de la capa de respaldo 6 y/o del material de encapsulado 8 evita la comunicación eléctrica no deseada entre las células fotovoltaicas 4 y el disipador de calor 2. La capa de respaldo 6 y/o el material de encapsulado 8 se pueden proporcionar en la forma de una pluralidad de separadores eléctricamente aislantes dispuestos entre el disipador de calor y el material fotovoltaico. El disipador de calor 2 comprende una pluralidad de segmentos de base 14 que proporcionan una superficie de montaje para montar el disipador de calor 2 en la capa de respaldo 6. El disipador de calor 2 también comprende una pluralidad de aletas 12 dispuestas entre pares adyacentes de segmentos de base 14. Las aletas 12 pueden ser movibles con respecto a los segmentos de base 14 debido a la flexibilidad inherente de las aletas 12 en relación con los segmentos de base 14. Alternativamente, las aletas 12 pueden estar unidas a los segmentos de base 14 a través de medios mecánicos que permiten el movimiento entre las aletas 12 y los segmentos de base 14. Por ejemplo, los medios mecánicos pueden incluir una estructura de bisagra, u otras estructuras que permitan el movimiento entre las mismas.
Las figuras 1 y 2 ilustran una primera configuración en la que las aletas 12 están ubicadas en una primera posición plana para que las aletas 12 sean sustancialmente paralelas al plano que contiene los segmentos de base 14. Tal configuración de las aletas 12 en la primera posición plana proporciona un disipador de calor 2 sustancialmente plano, la cual es una configuración especialmente deseada del disipador de calor 2 antes de la unión a la capa de respaldo 6 y/o al material de encapsulado 8. Tal configuración plana del disipador de calor 2 está bien adaptada al proceso de ensamblaje de laminación de la presente invención, así como a los procesos de laminación conocidos para aquellos expertos en la materia. Una vez que el disipador de calor 2 se une a la capa de respaldo 6 y/o al material de encapsulado 8, las aletas 12 se pueden mover a una segunda posición extendida, sustancialmente perpendicular a los segmentos de base 14, como se ilustra en las figuras 3 y 4. Tal configuración de las aletas 12 con respecto a los segmentos de base 14 está bien adaptada para permitir la disipación convectiva de calor desde el disipador de calor 2 al entorno circundante durante el uso. Opcionalmente, un área del disipador de calor 2 puede no estar provista de aletas 12 para proporcionar una región en la que se puede proporcionar una caja de conexiones
eléctricas.
Durante el uso, el módulo está orientado de tal modo que la superficie exterior de la tapa 10 mira hacia el cielo y se puede mantener en un ángulo específico para maximizar su exposición a la luz solar. Cuando la luz solar alcanza las células fotovoltaicas 4, algo de la energía dentro de la luz solar se convierte en energía eléctrica y se extrae a través de terminales o cables (no representados). La luz solar que no es absorbida por el módulo fotovoltaico 20 y no convertida en energía eléctrica pasa a ser energía calorífica y es transferida a los alrededores del módulo. El modo principal de transferencia de calor es la convección al aire ambiente tanto desde la superficie exterior de la tapa 10 como del disipador de calor 2 del módulo 20.
La separación entre las aletas 12 así como la altura de las aletas 12 se pueden optimizar para las características de un módulo fotovoltaico particular y la carga de calor. Así pues, las aletas 12 pueden ser suficientemente cortas en relación con la separación entre las aletas 12 adyacentes para que las aletas 12 no se solapen en la primera posición plana representada en la figura 1. En una configuración deseada el disipador de calor 2 puede estar hecho de una película de aluminio gruesa de 76,2 \mum y teniendo aletas 12 con una altura de 31,75 mm y una separación entre las aletas adyacentes de 9,525 mm. Opcionalmente, las aletas 12 pueden tener longitudes diferentes. Las aletas 12 también pueden tener huecos o aristas estampadas en las mismas, para facilitar más aún la transferencia de calor convectiva (no representada), y pueden estar recubiertas de un recubrimiento de alta emisividad para facilitar la transferencia de calor radiativa. Además, el disipador de calor 2 puede estar fabricado de un material apropiado para hacer las aletas 12 extendidas lo suficientemente rígidas para resistir la abrasión suave, ofreciendo así una mayor protección a las células 4.
Otra ventaja de esta invención es el modo en el que se puede laminar el módulo - con el disipador de calor como una parte integral del módulo - usando, por ejemplo, procedimientos y técnicas de laminación estándar.
Típicamente, un módulo fotovoltaico se construye de varias capas de materiales que están emparedadas entre sí bajo elevadas temperaturas. Normalmente se hace una extracción por vacío también. Los materiales son típicamente vidrio, EVA (etileno acetato de vinilo), células solares, EVA, poliéster, y fluoruro de polivinilo de la marca Tedlar®, en ese orden. Las tres últimas capas se compran normalmente en una lámina de material llamado EPT (EVA-poliéster-fluoruro de polivinilo).
Cuando se fabrica un módulo fotovoltaico, las células pueden estar dispuestas y soldadas entre sí en una superficie de trabajo, después levantadas en el aire por copas de vacío (mientras que mantienen su separación y alineación). Una pieza de vidrio se pone bajo las células, y después una capa de EVA se coloca sobre el vidrio. El EVA se envía normalmente a la fábrica en un rollo, para que una sección sea desenrollada y cortada a medida. A continuación, las células son bajadas al "ensamblado" de vidrio EVA y una capa de EPT es desenrollada, cortada a medida, y colocada en la parte superior de las células solares. Todo este proceso es normalmente denominado "moldeado".
Después del ensamblaje, el ensamblado se puede colocar en una pieza del equipo llamada laminadora. Este dispositivo aplica calor y presión al ensamblado durante 10-15 minutos, por ejemplo, mientras que también se hace una extracción por vacío en el espacio del laminado. El calor y la presión curan el EVA, que reticula y adhiere todo el laminado entre sí. El vacío se usa para extraer el aire atrapado en medio de las capas durante el ensamblaje.
Una ventaja del disipador de calor de la presente invención es que el disipador de calor es lo suficientemente flexible para dejar que las aletas se plieguen hasta aplanarse para que se puedan añadir como una capa en el moldeado y después laminar como parte del módulo fotovoltaico en una laminadora estándar. Por ejemplo, después de que la capa de EPT se coloque en la parte superior de las células solares, el disipador de calor de la presente invención se puede colocar en la parte superior del EPT con las aletas plegadas hasta aplanarse en el exterior de la pila. La pila de célula-EVA-EPT-disipador de calor se puede colocar entonces en una laminadora para adherir las capas de la pila entre sí. Esto permite al disipador de calor añadirse como una parte integral del módulo, y no requiere que un fabricante invierta en nuevos equipos de moldeado o laminación. Después de la laminación, las aletas del disipador de calor se pueden desplegar en su posición de funcionamiento.

Claims (23)

1. Un módulo fotovoltaico que comprende:
un material fotovoltaico (4); y
un disipador de calor (2) en comunicación térmica con el material fotovoltaico próximo a una superficie de montaje (14) del disipador de calor, comprendiendo el disipador de calor (2) una pluralidad de aletas (12) que son movibles entre una primera posición sustancialmente paralela a la superficie de montaje (14) del disipador de calor y una segunda posición sustancialmente no paralela a la superficie de montaje del disipador de calor (2).
2. El módulo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que la segunda posición es perpendicular a la superficie de montaje (14) del disipador de calor (2).
3. El módulo fotovoltaico según la reivindicación 1 ó 2, en el que el disipador de calor (2) comprende una lámina de polímero térmicamente conductor.
4. El módulo fotovoltaico según la reivindicación 1 ó 2, en el que el disipador de calor (2) comprende una hoja de metal y las aletas (12) comprenden porciones plegadas de la hoja de metal.
5. El módulo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un material eléctricamente aislante (6) dispuesto entre el disipador de calor (2) y el material fotovoltaico (4).
6. El módulo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un material de encapsulado (8) dispuesto entre el material fotovoltaico (4) y el disipador de calor (2).
7. El módulo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las aletas (12) comprenden al menos un hueco en las mismas.
8. El módulo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las aletas (12) comprenden una arista.
9. El módulo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las alteas (12) comprenden un recubrimiento de alta emisividad para facilitar la transferencia de calor radiativa.
10. El módulo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el disipador de calor (2) comprende un material ópticamente reflector.
11. El módulo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos dos de las aletas (12) tienen una altura diferente.
12. Un procedimiento para fabricar un módulo fotovoltaico que comprende las etapas de:
provisión de un material fotovoltaico (4);
provisión de un disipador de calor (2) que comprende una superficie de montaje (14) y que comprende una pluralidad de aletas (12) que son movibles entre una primera posición sustancialmente paralela a la superficie de montaje (14) y una segunda posición sustancialmente no paralela a la superficie de montaje;
orientación de las aletas (12) sustancialmente paralela a la superficie de montaje (14); y
unión del disipador de calor (2) al material fotovoltaico.
13. El procedimiento según la reivindicación 12, que comprende la orientación de las aletas (12) en la segunda posición después de que el disipador de calor (2) es unido al material fotovoltaico (4).
14. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que la etapa de unión del disipador de calor (2) comprende la laminación.
15. El procedimiento según la reivindicación 14, en el que la etapa de laminación del disipador de calor (2) comprende la provisión de un material eléctricamente aislante (6) entre la superficie de montaje (14) del disipador de calor (2) y el material fotovoltaico (4).
16. El procedimiento según la reivindicación 15, en el que la etapa de laminación comprende la laminación del disipador de calor (2), el material eléctricamente aislante (6), y el material fotovoltaico (4) entre sí.
17. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, en el que el disipador de calor (2) comprende una lámina de polímero térmicamente conductor.
18. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, en el que el disipador de calor (2) comprende una hoja de metal, y en el que las aletas (12) comprenden porciones plegadas de la hoja de metal.
19. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, que comprende la provisión de al menos un hueco en las aletas (12).
20. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 19, que comprende la provisión de una arista en las aletas (12).
21. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 20, que comprende la provisión de un recubrimiento de alta emisividad en las aletas (12) para facilitar la transferencia de calor radiativa.
22. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 21, en el que el disipador de calor (2) comprende un material ópticamente reflector.
23. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22, en el que al menos dos de las aletas (12) tienen una altura diferente.
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