ES2355625T3 - Receptor de plano focal curvado para la concentración de luz en un sistema fotovoltaico. - Google Patents

Receptor de plano focal curvado para la concentración de luz en un sistema fotovoltaico. Download PDF

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Abstract

Un sistema fotovoltaico de concentración (800) que comprende: una unidad óptica de concentración (802); un receptor curvado (804) situado para recibir los rayos de luz reflejados por la unidad óptica de concentración; y un conjunto de células solares fijados a una superficie del receptor curvado, caracterizado por que: el receptor tiene una forma sustancialmente cóncava con un saliente (806) en el centro del receptor (804) que se extiende hacia la unidad óptica de concentración (802); y en el que el saliente (806) en el receptor curvado tiene una forma de modo que parte de los rayos de luz reflejados se reflejan desde una célula solar y se absorben por las células solares adyacentes.

Description

La presente invención se refiere a un aparato para la generación de energía usando células solares. Más particularmente, la presente invención se refiere a un aparato para la generación de energía usando células solares en un sistema fotovoltaico de concentración. 5
Antecedentes:
Un tipo de energía solar involucra el uso de células solares para generar electricidad. Este tipo de tecnología de energía solar se denomina también como fotovoltaico. Las células solares usadas son dispositivos semiconductores que convierten los fotones en electricidad. Las células solares individuales se pueden poner en un grupo para formar módulos que, a su vez, se pueden disponer en grupos 10 denominados matrices solares. La fotovoltaica de concentración se considera generalmente como la clave en la realización de una energía solar competitiva en costes con respecto a otras fuentes de energía, tales como la de combustibles fósiles.
Con la fotovoltaica de concentración, la luz solar se recoge en un área grande y se concentra en un área de recepción relativamente pequeña por medio del uso de alguna combinación de óptica de 15 reflexión y/o refracción. El área de recepción se cubre con una o más células solares que convierten la luz solar en electricidad. La concentración de la luz solar en el área de recepción aumenta la eficiencia de las células solares. Adicionalmente, mediante la concentración de la luz solar, se reduce el número de células solares requeridas para producir una potencia dada.
En esta forma, el coste de generación de electricidad se reduce porque el componente de coste 20 de las células solares relativamente caras se disminuye. En los sistemas fotovoltaicos de concentración, se usa un sistema de seguimiento para seguir al sol a través del cielo para mantener el foco de la luz solar sobre las células solares en el área de recepción. Para que funcione adecuadamente un sistema fotovoltaico de concentración, la luz solar se debería enfocar con precisión y uniformidad sobre la célula solar. Actualmente, este enfoque se realiza a través del diseño de la forma de los elementos ópticos de 25 concentración que dirigen la luz sobre el área de recepción.
Los elementos ópticos en la óptica de reflexión y/o refracción se diseñan para producir una iluminación uniforme, de elevada intensidad sobre el plano focal típicamente plano del área de recepción. La obtención de una iluminación uniforme de elevada intensidad sobre un plano focal plano de un receptor es difícil y requiere una óptica de elevada precisión. El sistema de reflexión usa elementos, tales 30 como espejos, para reflejar y concentrar la luz solar sobre las células solares. Los sistemas de refracción usan lentes para concentrar la luz solar sobre las células solares. En cualquier caso, se puede usar un homogeneizador para distribuir uniformemente la luz reflejada/refractada sobre las superficies de las células.
En muchos casos, se requiere una combinación compleja de espejos, lentes y 35 homogeneizadores para maximizar la eficiencia de las células solares en el área de recepción. En la práctica, se realiza a menudo un compromiso entre la obtención de la máxima eficiencia óptica y la producción de elementos ópticos a un coste razonable.
El documento US 5.961.739 describe una planta de generación de foco móvil hemisférico que tiene un reflector solar hemisférico para la reflexión de la energía solar. Se conecta de modo móvil al 40 reflector solar hemisférico un receptor para la recepción de la energía solar reflejada y la producción de energía a partir de ella. El receptor incluye un marco con una parte superior, al que se conectan una pluralidad de células fotovoltaicas y un soporte. Adicionalmente, se conecta un acondicionador de energía al receptor para recibir la energía desde el receptor y acondicionar la energía para su uso.
Adicionalmente, este tipo de sistema requiere un sistema de seguimiento de alta precisión. 45 Típicamente, se usa a menudo un sistema de seguimiento que tenga menos de 0,5 grados de error de seguimiento con respecto al sol para obtener una alta concentración, tal como mayor que 500x.
Además, se debería producir una iluminación uniforme de alta intensidad sobre el área de recepción que está cubierta con las células solares. Esta densidad de potencia de la iluminación de alta intensidad puede ser, por ejemplo, 50-100 W/cm2. Estos tipos de densidades de potencia pueden producir 50 eficiencias del sistema muy elevadas, pero también pueden crear grandes diferencias de potencial dentro de una célula solar y entre las células solares conectadas en un circuito. Si la iluminación no es uniforme, se desarrollan diferencias en la intensidad producida en las células solares. Estas diferencias pueden conducir a pérdidas de potencia resistivas y a campos eléctricos impredecibles dentro de las células solares, que producen una degradación y conducen al fallo de la célula solar. 55
Se realiza típicamente un compromiso entre los gastos de la óptica de concentración, el rendimiento y/o el nivel de fiabilidad que se considera aceptable para un sistema fotovoltaico de concentración. En este tipo de sistema, la luz cae sobre las células en el área de recepción en un ángulo que está separado de la normal (menos de 90 grados). Para una iluminación separada de la normal, la célula presenta una sección transversal más pequeña a la luz incidente. Como resultado, a menudo se reduce la iluminación efectiva. Por ejemplo, para sistemas típicos que usan una concentración de aproximadamente 500 veces, el ángulo de desviación de la normal es a menudo tan grande como 30 5 grados. Con este tipo de ángulo, la intensidad de la iluminación se puede reducir en más del 15 por ciento. Con tal iluminación fuera de ángulo, ligeras desviaciones en la trayectoria óptica del haz de iluminación concentrado pueden hacer que partes del haz se pierdan en el área de recepción de la célula. Estas desviaciones pueden estar causadas por errores de seguimiento, imperfecciones en la óptica, deformación de la óptica debido a la expansión térmica o carga del viento u otras similares. 10
Un efecto secundario se produce por el recubrimiento antirreflectante sobre las células solares que se optimiza para una iluminación incidente normal. Como resultado, se tiende a que la iluminación separada de la normal se refleje fuera de la célula solar en lugar de ser absorbida y convertida en energía por la célula solar. Se pueden usar homogeneizadores para mitigar este efecto. Este tipo de elemento, sin embargo, contribuye a las pérdidas ópticas y se añade a los costes de un sistema fotovoltaico de 15 concentración.
Por ello, la creación de sistemas fotovoltaicos de concentración a un coste razonable para producir energía es difícil. Por lo tanto, sería ventajoso tener un método y un aparato mejorados para la concentración de luz sobre células solares.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN 20
De acuerdo con la presente invención se proporciona un sistema fotovoltaico de concentración como se reivindica en las reivindicaciones adjuntas.
Una realización de la presente invención proporciona un aparato que tiene un elemento óptico de concentración, en el que el elemento óptico de concentración redirige la luz para formar una iluminación concentrada. El aparato también tiene una estructura con una superficie curvada situada para recibir la luz 25 redirigida y un conjunto de células solares conectadas a la superficie curvada de la estructura, en la que la superficie curvada es sustancialmente cóncava con un saliente en el centro que se extiende hacia el elemento óptico de concentración de forma que algunos de los rayos de luz reflejados se reflejen desde una célula solar y se absorban por parte de las células solares adyacentes.
Las características, funciones y ventajas se pueden conseguir independientemente en diversas 30 realizaciones de la presente invención o incluso se pueden combinar en otras realizaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las características novedosas que se creen características de la invención se exponen en las reivindicaciones adjuntas. La invención en sí, sin embargo, así como un modo preferido de uso, los objetivos adicionales y las ventajas de los mismos, se comprenderán mejor con referencia a la descripción 35 detallada a continuación de una realización ventajosa de la presente invención cuando se lea en conjunto con los dibujos que la acompañan, en los que:
la Figura 1 es un diagrama que ilustra un sistema de generación por energía solar;
la Figura 2 es un diagrama que ilustra un sistema fotovoltaico de concentración;
la Figura 3 es un diagrama de otra unidad fotovoltaica de concentración; 40
la Figura 4 es un diagrama de un receptor;
la Figura 5 es un diagrama de un receptor;
la Figura 6 es un diagrama de un receptor;
la Figura 7 es un diagrama de otra unidad fotovoltaica de concentración;
la Figura 8 es un diagrama de una unidad fotovoltaica de concentración de acuerdo con una 45 realización ventajosa de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Con referencia ahora a las figuras y en particular con referencia a la Figura 1, se representa un diagrama que ilustra un sistema de generación por energía solar de acuerdo con una realización ventajosa de la presente invención. El sistema de generación por energía solar 100 es un ejemplo de un 50 sistema de generación por energía solar en el que se pueden implementar diferentes realizaciones de la presente invención.
El sistema de generación por energía solar 100 incluye una unidad fotovoltaica de concentración 102, un regulador de carga 104, un acumulador 106 y un inversor 108. La unidad fotovoltaica de concentración 102 contiene la óptica de concentración con un área de recepción que contiene una o más células solares para generar energía a partir de la luz solar. El regulador de carga 104 se usa para dirigir la electricidad generada mediante la unidad fotovoltaica de concentración 102 al acumulador 106 o al 5 inversor 108. El regulador de carga 104 asegura que se cargan las baterías en el acumulador 106 y protege esas baterías frente a descargas. El acumulador 106 es un componente opcional para estos ejemplos. El inversor 108 se usa para convertir la tensión de corriente continua en tensión de corriente alterna para su uso en la red eléctrica 110. La configuración y componentes particulares mostrados tienen finalidades de ilustración y no implican limitar la arquitectura en la que se pueden implementar las 10 diferentes realizaciones.
En estas realizaciones ilustrativas, el receptor en la unidad fotovoltaica de concentración 102 se modifica a partir del área de recepción sustancialmente plana actualmente usada en estos tipos de sistemas. Se usa un receptor curvado que se ajusta al plano focal curvado producido por la óptica de concentración en la unidad fotovoltaica de concentración 102 de acuerdo con una realización ventajosa 15 de la presente invención.
Con referencia a continuación a la Figura 2, se representa un diagrama que ilustra un sistema fotovoltaico de concentración. En este ejemplo, el sistema fotovoltaico de concentración 200 incluye la unidad óptica reflectora de concentración 202 y un receptor curvado 204.
Tal como se ha representado, el receptor curvado 204 toma una forma convexa de manera que 20 la superficie 206 se curva en una forma que permite que la iluminación concentrada desde de la unidad óptica reflectora de concentración 202 incida normalmente sobre las células solares situadas en el receptor curvado 204. En otras palabras, los rayos de luz 208, 210, 212, 214, 216 y 218 que inciden sobre la unidad óptica reflectora de concentración 202 se reflejan en una forma que incide en la superficie 206 en un ángulo que es de aproximadamente 90 grados. Los ángulos en los que los diferentes rayos de luz 25 alcanzan la superficie 206 del receptor curvado 204 son todos ellos aproximadamente el mismo ángulo.
Como resultado, la iluminación de las células solares sobre la superficie 206 es sustancialmente la misma para todas las células solares. En esta forma, el ángulo de incidencia en toda la superficie 206 puede ser todo él de aproximadamente 90 grados como se desea para maximizar el rendimiento de potencia de las células solares en el receptor curvado 204. Adicionalmente, se reducen los problemas 30 asociados con la luz que incide en una única célula solar en diferentes ángulos o en células solares conectadas en un circuito en ángulos diferentes. De esta manera, el rendimiento actual desarrollado en las células permanece más uniforme conduciendo a unas pérdidas de potencia resistivas menores y menores campos eléctricos impredecibles para reducir la degradación de esas células.
Estas ventajas se proporcionan mediante la superficie curvada 206 de forma que permite a los 35 rayos de luz, tales como los rayos de luz 208, 210, 212, 214, 216 y 218 incidir en la superficie 206 a aproximadamente el mismo ángulo. En estos ejemplos, el ángulo deseado es de aproximadamente 90 grados o aproximadamente perpendicular a la superficie 206.
Cambiando ahora a la Figura 3, se representa un diagrama de otra unidad fotovoltaica de concentración. En este ejemplo, la unidad fotovoltaica de concentración 300 es un ejemplo del sistema 40 que se puede usar para implementar la unidad fotovoltaica de concentración 102 de la Figura 1. En este ejemplo representado, la óptica de refracción de concentración 302 toma la forma de una lente de concentración en lugar de un espejo como el ilustrado en la Figura 2. En esta disposición particular, la óptica de refracción de concentración 302 es una lente Fresnel. Como se ilustra, el receptor 304 también se curva en lugar de ser plano como en los sistemas receptores actualmente usados. La superficie 306 45 del receptor 304 contiene una o más células solares. Estas células solares generan energía cuando los rayos de luz, tales como los rayos de luz 308, 310, 312, 314, 316, 318 y 320 se dirigen a la superficie 306 del receptor 304 a través de la óptica de refracción de concentración 302.
La superficie 306 se curva en una manera en que estos rayos de luz inciden en la superficie 306 como luz incidente. En otras palabras, estos rayos de luz inciden en la superficie curvada 306 en un 50 ángulo de aproximadamente 90 grados. La superficie 306 se curva en una manera en la que estos rayos de luz inciden todos en aproximadamente el mismo ángulo de manera que las partes de una célula o células diferentes en un mismo circuito todas generan aproximadamente la misma cantidad de energía. Esta producción uniforme de intensidad conduce a una vida de la célula más larga cuando se compara con los sistemas usados actualmente. 55
Cambiando ahora a la Figura 4, se representa un diagrama de un receptor. En este ejemplo, el receptor 400 es un ejemplo del receptor 204 de la Figura 2. En esta implementación particular, el receptor 400 incluye un disipador térmico del receptor curvado 402. Las células solares flexibles 404, 406 y 408 se montan sobre la superficie 410 del disipador térmico del receptor curvado 402. En este ejemplo particular, estas células solares flexibles se adaptan a la forma curvada del disipador térmico del receptor curvado 60 402. Las células solares flexibles 404, 406 y 408 se pueden implementar usando cualquier célula solar flexible disponible. Las células flexibles se pueden realizar a partir de material de unión múltiple delgado disponible en Spectrolab, células de silicio cristalinas o materiales de células solares de película delgada. Estos materiales pueden ser, por ejemplo, silicio policristalino, silicio amorfo, teluro de cadmio, seleniuro de indio-cobre, seleniuro de galio-indio-cobre o materiales orgánicos. En este ejemplo, el disipador térmico del receptor curvado 402 es un disipador térmico único sobre el que se montan las células solares 5 404, 406 y 408.
Cambiando a continuación a la Figura 5, se representa un diagrama de un receptor. En este ejemplo, el receptor 500 incluye el disipador térmico del receptor curvado 502, que es una única pieza en este ejemplo. Las células solares 504, 506, 508, 510, 512 y 514 se montan sobre la superficie 500 del disipador térmico del receptor curvado 502. En este ejemplo particular, estas células solares no son 10 células flexibles sino que son células planas rígidas colocadas en mosaico para adaptarse a la forma curvada del disipador térmico del receptor curvado 502.
Cambiando ahora a la Figura 6, se representa un diagrama de un receptor. El disipador térmico del receptor curvado 600 es un ejemplo de un receptor que se puede usar para implementar el receptor 204 de la Figura 2 o el receptor 304 de la Figura 3. En este ejemplo, el receptor 600 incluye los 15 disipadores térmicos 602, 604, 606, 608, 610 y 612. Las células solares 614, 616, 618, 620, 622 y 624 se montan sobre estos disipadores térmicos. Como con las células solares representadas en la Figura 5, estas células solares son células planas rígidas en las que se monta una única célula solar en cada disipador térmico. Los disipadores térmicos 602, 604, 606, 608, 610 y 612 se montan en mosaico sobre una estructura y un receptor 600 para adaptarse a una forma curvada como la ilustrada. 20
Las células solares ilustradas en estos ejemplos se pueden implementar usando cualquier célula solar rígida o flexible disponible. Por ejemplo, las células solares rígidas se pueden implementar usando células CITJ o CUTJ de 1 cm2, que están disponibles en Spectrolab, Inc. los receptores representados en las Figuras 4, 5 y 6 sólo ilustran los disipadores térmicos y las células solares, omitiendo otros componentes y el cableado de las células solares para remarcar las características de la presente 25 invención.
Cambiando ahora a la Figura 7, se representa un diagrama de otra configuración para una unidad fotovoltaica de concentración. En este ejemplo, la unidad fotovoltaica 700 tiene una óptica de refracción de concentración 702 y un receptor 704 que tiene una forma cóncava. Este receptor es cóncavo o “en copa” en su forma para reducir la pérdida de luz por reflexión fuera de las células solares 30 en el receptor 704.
Con referencia ahora a la Figura 8, se representa un diagrama de una unidad fotovoltaica de concentración de acuerdo con una realización ventajosa de la presente invención. En este ejemplo, la unidad fotovoltaica 800 incluye la óptica reflectora de concentración 802 y un receptor 804. La configuración particular del receptor 804 en este ejemplo incluye el saliente 806. El saliente 806 se usa 35 para desviar intencionadamente parte de la luz incidente hacia las células solares adyacentes en respuesta al exceso de luz que tiene lugar en un “punto caliente” producido por las imperfecciones en la óptica reflectora de concentración 802.
Por ello, las diferentes disposiciones proporcionan un método y un aparato para la concentración de luz sobre un receptor. En estos ejemplos, el aparato incluye una unidad óptica de concentración en la 40 que la unidad óptica de concentración tiene una superficie curvada y en la que la superficie curvada refleja los rayos de luz para obtener rayos de luz reflejados. Se sitúa un receptor curvado para recibir los rayos de luz reflejados. Se fija un conjunto de células solares sobre la superficie del receptor curvada. El receptor curvado tiene una forma de modo que los rayos de luz reflejados incidan en las superficies del conjunto de células solares en un ángulo que sea sustancialmente perpendicular a las superficies en 45 estos ejemplos.
Como resultado, las diferentes disposiciones permiten unos costes reducidos en la creación de sistemas fotovoltaicos de concentración. Cuando se usa con un receptor curvado, las diferentes realizaciones usan curvas de modo que la luz incida en un ángulo de incidencia casi normal, aproximadamente de 90 grados. Con este tipo de diseño, con los ligeros cambios en este ángulo, es 50 menos probable que la luz deje de incidir en el área receptora a diferencia de la luz que incide en un receptor plano en un ángulo oblicuo. En los diseños actuales, ligeros cambios en estos ángulos, tal como con un pobre seguimiento del sol, puede hacer que la luz se desvíe completamente del receptor.
Adicionalmente, al proporcionar una intensidad más uniforme, las diferencias de potencial se reducen dentro de una célula solar y entre las células conectadas en un circuito, la vida de la célula se 55 aumenta en estos tipos de sistemas. Además, cada célula solar es capaz de generar más electricidad por la caída más uniforme de los rayos de luz en la cercanía a un ángulo deseado, tal como 90 grados. Con unas células solares que crean más electricidad por célula solar o módulo, se necesitan menos células solares para generar una cantidad deseada de electricidad. Adicionalmente, en las realizaciones ventajosas, no se requiere un costoso sistema de seguimiento de alta precisión debido a que los 60 requisitos de seguimiento se pueden relajar. Como resultado, esta relajación en los requisitos de seguimiento reduce también el coste de un sistema fotovoltaico de concentración.
Adicionalmente, aunque los ejemplos representados ilustran el uso de sistemas fotovoltaicos para la generación de energía para una red eléctrica, el sistema fotovoltaico de concentración ilustrado se puede implementar para otros usos, tal como en naves espaciales, barcos o dispositivos individuales de alimentación o pequeños grupos de edificios. 5
Aunque en los ejemplos representados, el ángulo deseado es de aproximadamente 90 grados, se pueden usar otros ángulos dependiendo de la implementación particular. Por ejemplo, se pueden usar ángulos más grandes y los ángulos rasantes pueden permitir una reflexión interna total y efectos de captura en las células solares. Un receptor “en copa” o cóncavo, por ejemplo, aumentaría la captura de la luz inicialmente reflejada fuera de las células. El recubrimiento antirreflectante usado para minimizar la 10 pérdida de luz por la reflexión externa se diseña normalmente suponiendo una incidencia de 90 grados. Este ángulo, sin embargo, puede ser un ángulo diferente. En ese caso, el ángulo en el que el rayo de luz incide debería ajustarse tan próximamente como sea posible a ese otro ángulo de estos ejemplos.
Aunque los ejemplos representados son de una curva simple, se pueden usar otras curvas con formas más complejas dependiendo de la implementación particular. Por ejemplo, el receptor puede tener 15 una forma de dos curvas con los extremos de las curvas unidos entre sí.
Una aplicación de esto sería para redistribuir el exceso de iluminación para compensar un punto caliente producido por la óptica de concentración. Las ópticas tales como las lentes Fresnel pueden producir a menudo puntos calientes de exceso de intensidad en el centro de un receptor. Un saliente en la forma del centro del receptor permitiría que más parte de la iluminación incidente en el punto caliente se 20 refleje y se absorba por las células adyacentes fuera del área del punto caliente, mejorando la uniformidad de la iluminación. En general, las formas particulares usadas son aquellas que se adaptan a las formas o a la manera en la que la óptica de concentración enfoca la luz en el área del receptor.
La descripción de la presente invención se ha presentado con finalidades de ilustración y descripción y no pretende ser exhaustiva o limitada a la invención en la forma descrita. Serán evidentes 25 muchas modificaciones y variaciones para los expertos en la materia.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema fotovoltaico de concentración (800) que comprende:
    una unidad óptica de concentración (802);
    un receptor curvado (804) situado para recibir los rayos de luz reflejados por la unidad óptica de concentración; y
    un conjunto de células solares fijados a una superficie del receptor curvado, 5 caracterizado por que:
    el receptor tiene una forma sustancialmente cóncava con un saliente (806) en el centro del receptor (804) que se extiende hacia la unidad óptica de concentración (802); y
    en el que el saliente (806) en el receptor curvado tiene una forma de modo que 10 parte de los rayos de luz reflejados se reflejan desde una célula solar y se absorben por las células solares adyacentes.
  2. 2. El sistema fotovoltaico de concentración de la reivindicación 1, que comprende además:
    un conjunto de montaje, en el que el conjunto de montaje fija el receptor curvado a la unidad óptica de concentración. 15
  3. 3. El sistema fotovoltaico de concentración de la reivindicación 1, en el que el elemento óptico de concentración (802) es una unidad óptica reflectora de concentración.
  4. 4. El sistema fotovoltaico de concentración de la reivindicación 1, en el que el elemento óptico de concentración es una unidad óptica de refracción de concentración.
    20
ES07871441T 2006-11-21 2007-11-12 Receptor de plano focal curvado para la concentración de luz en un sistema fotovoltaico. Active ES2355625T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/562,196 US20080115823A1 (en) 2006-11-21 2006-11-21 Curved focal plane receiver for concentrating light in a photovoltaic system
US562196 2006-11-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2355625T3 true ES2355625T3 (es) 2011-03-29

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