ES2359319B1 - Aparato para convertir energía solar en electricidad protegido mediante una tapa de vidrio. - Google Patents

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Abstract

Aparato para convertir energía solar en electricidad protegido mediante una tapa de vidrio.
La presente invención se refiere a un aparato para convertir energía solar en electricidad, que comprende: un substrato 101, una célula solar multiunión de compuesto semiconductor III-V 102 para convertir la célula solar 102 en electricidad, estando montada la célula solar 102 sobre el substrato 101, un diodo 103, sobre el substrato 101, que comprende un cuerpo, un contacto de ánodo y un contacto de cátodo, estando acoplado el diodo 103 en paralelo con la célula solar 102, y unos terminales de salida 104 montados sobre el substrato 101 y acoplados con la célula solar 102 y el diodo 103 para manejar más de 10 W de potencia. Dicho aparato también comprende por lo menos un separador 107 y una tapa 108 configuradas para cubrir y proteger dicho aparato.

Description

Aparato para convertir energía solar en electricidad protegido mediante una tapa de vidrio.
Objeto de la invención
La descripción de la invención se refiere a un receptor de célula solar que tiene por lo menos un separador y una tapa configurada para cubrir la célula solar y proteger dicha célula solar.
Antecedentes de la invención
Típicamente, una pluralidad de células solares están dispuestas en una agrupación ordenada o panel, y un sistema de energía solar típicamente incluye una pluralidad de estos paneles. Las células solares en cada panel están usualmente conectadas en serie, y los paneles en un sistema dado también están conectados en serie, teniendo cada panel numerosas células solares. Las células solares en cada panel, alternativamente, se podrían disponer en paralelo.
Históricamente, la energía solar, tanto la espacial como la terrestre, ha sido proporcionada predominantemente mediante células solares de silicio. En los últimos años, sin embargo, el alto volumen de fabricación de células solares multiunión de alta eficiencia ha permitido el uso de esta tecnología alternativa para la generación de energía. Algunas células multiunión actuales tienen eficiencias de energía que superan el 27%, mientras que las tecnologías de silicio generalmente alcanzan solamente aproximadamente el 17% de eficiencia.
Hablando en general, las células multiunión son de polaridad n-en-p y están compuestas de compuestos InGaP/(In)GasAs III-V. Las capas de las células solares multiunión semiconductoras de compuesto III-V pueden desarrollarse mediante la deposición químico-organometálica de vapor, MOCVD, en sustratos Ge. Las placas epitaxiales se pueden procesar en dispositivos completos a través de fotolitografía robótica automatizada, metalización, limpieza química y grabado, recubrimiento de antireflexión (AR), corte, y procesos de prueba. La metalización de contacto n-y-p está típicamente comprendida de Ag predominantemente con una fina capa de tapa de Au para proteger el Ag de la oxidación. El recubrimiento AR es generalmente una pila dieléctrica TiO_{x}/Al_{2}O_{x} de capa doble, cuyas características de reflectividad espectral están diseñadas para minimizar la reflexión al nivel de la célula interconectada con la cubierta de vidrio, CIC, o el conjunto de la célula solar, SCA, así como para maximizar el rendimiento de final de vida, EOL, de las células.
En algunas células multiunión, la célula media es una célula InGaAs opuesta a una célula GaAs. La concentración de indio puede ser aproximadamente del 1,5% de la célula media de InGaAs. En algunas implementaciones, estas disposiciones presentan una eficiencia aumentada.
Independientemente del tipo de célula utilizada, un problema conocido con los sistemas de energía solar es que las células solares individuales se pueden dañar o ensombrecer mediante una obstrucción. Por ejemplo, se puede producir un daño como resultado de la exposición de una célula solar a condiciones ambientales adversas. La capacidad de transporte de corriente de un panel que tiene una o más células solares dañadas o ensombrecidas se reduce, y la salida de otros paneles en serie con ese panel polariza de manera inversa en las células dañadas o ensombrecidas. La tensión a través de las células dañadas o ensombrecidas aumenta de esta manera en una polaridad inversa hasta que la tensión de salida completa de todos los paneles en la serie se aplica a las células dañadas o ensombrecidas en el panel correspondiente. Esto provoca que las células dañadas o ensombrecidas se averíen.
Un sistema de células solares típico tiene miles de células solares, su salida de tensión es normalmente de aproximadamente de cientos de voltios, y su salida de corriente es de aproximadamente decenas de amperios. En estos niveles de energía de salida, si los terminales de las células solares no están protegidos, tiende a producirse una descarga eléctrica no controlable en forma de chispas, y esto puede provocar daños en las células solares y en todo el sistema.
La patente US 6.020.555 describe un sistema de células solares constituido por paneles, cada uno de los cuales incluye múltiples células solares, estando provista cada célula solar de un diodo conectado entre sus terminales positivo y negativo. La provisión de los diodos, típicamente diodos de derivación Schottky, realizan una especie de protección de las células solares contra las descargas eléctricas no controlables citadas anteriormente.
Otro inconveniente de las células solares conocidas es que no están protegidas, cubiertas, o aisladas mecánicamente, con objeto de que la posible sociedad acumulada sobre el sistema, o cualquier otro agente, no pueda producir ningún daño a la célula solar.
Breve descripción de la invención
La invención se refiere a un aparato para convertir energía solar en electricidad. Dicho aparato comprende un substrato y una célula solar multiunión de compuesto semiconductor III-V para convertir la célula solar en electricidad. La célula solar está montada sobre el substrato y comprende un primer contacto acoplado a un lado de polaridad p de la célula y un segundo contacto acoplado a un lado de polaridad n de la célula. El aparato también comprende un diodo, sobre el substrato, que comprende un cuerpo, un contacto de ánodo y un contacto de cátodo. El diodo está acoplado en paralelo con el primer y el segundo contactos de la célula solar, de manera que el contacto de ánodo del diodo está acoplado con el primer contacto y el contacto de cátodo del diodo está acoplado con el segundo contacto. Unas terminales de salida, comprendidas en el aparato, están montadas sobre el substrato y acopladas a la célula solar y el diodo para manejar más de 10 W de potencia.
El aparato de la presente invención también comprende por lo menos un separador y una tapa configurada para cubrir y proteger dicho aparato. La tapa se puede montar sobre los separadores, por lo tanto, la inclusión de dicha tapa no afecta a la célula solar, ya que no interfiere con ninguno de los componentes indicados previamente. La tapa actúa como una protección de la célula solar, de manera que el posible polvo, obstrucción o elemento no deseado no puede dañar la célula solar.
El separador o separadores pueden ser cualquier componente de soporte de superficie de un espesor apropiado. Por ejemplo, unas resistencias son componentes de soporte de superficie baratos que se pueden manejar mediante un equipo automático. Por lo tanto, el coste de la célula solar no se ve impactado de manera significativa, con la ventaja de la robustez mejorada contra daños. Las resistencias no están conectadas al circuito eléctrico y actúan puramente como medios separadores mecánicos. El valor de las resistencias es la facilidad con la cual el equipo automático las manipula. Otro posible componente de soporte de superficie que se podría utilizar son por ejemplo bandas de plástico, pero, debido al hecho de que el equipo automático no está preparado para manejar dichas bandas de plástico, y que el equipo automático necesitaría modificaciones adicionales, que implicarían un coste extra, las resistencias representan la solución más barata para los separadores. Son baratas por sí mismas y el equipo no necesita modificaciones adicionales. Sin embargo, cualquier otra solución que pueda actuar como medios separadores mecánicos es válida, como por ejemplo, un saliente sobre el substrato. Otra posible alternativa es un marco anular cerámico. Dicho anillo cerámico actuaría como las resistencias, o cualquier otro componente de soporte de superficie, y soportaría la tapa.
Preferiblemente, la tapa es una tapa de vidrio. Dicha tapa no ensombrecerá la célula solar y no reducirá el rendimiento de la célula solar. Otras soluciones son válidas, mientras no reduzca el rendimiento de la célula solar.
En algunas implementaciones, el diodo se puede accionar para polarice en sentido directo en los casos en que la célula solar no esté generando por encima de una tensión límite.
En algunas implementaciones, la célula solar comprende por lo menos una capa que comprende InGaP, InGaAs o GaAs.
En algunas implementaciones, la célula solar comprende un recubrimiento antireflexivo.
El aparato puede comprender un material de silicona entre la célula solar y la tapa. Este material mejora la transmisión a través de la pila, y por lo tanto, la eficiencia de la célula solar. Alternativamente, una capa de aire puede ocupar el espacio entre la célula solar y la tapa. En este caso, la célula solar tiene mayores pérdidas de transmisión, pero el aspecto de la degradación epoxi a lo largo del tiempo se elimina.
Breve descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se realiza aquí y con el propósito de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención según una realización práctica preferida de la misma, se adjunta un dibujo como una parte íntegra de dicha descripción, que muestra lo siguiente con un carácter ilustrativo y no limitativo:
La figura 1 muestra una vista en perspectiva del aparato para convertir la energía solar en electricidad de la presente invención.
Realización preferente de la invención
Considerando la figura indicada, se describe una posible realización de un aparato para convertir energía solar en electricidad según la invención.
La figura 1 muestra un substrato cerámico 101 donde están montados una célula solar 102, un diodo de derivación 103 y unos terminales de salida
104.
La célula solar 102 puede estar hecha, por ejemplo, de silicio, cadmio, teluluro, CIGS, CIS, arseniuro de galio, colorantes que absorben la luz, o semiconductores orgánicos. En la implementación aquí descrita, se utiliza una célula solar 102 de compuesto semiconductor III-V tripleunión, pero se podrían utilizar otros tipos de células solares dependiendo de la aplicación.
La célula solar 102 es una célula solar de compuesto semiconductor III-V tripleunión que está constituida por una célula superior, una célula media y una célula inferior dispuestas en serie.
Un diodo 103 está conectado en paralelo con la célula solar tripleunión 102. En algunas implementaciones, el diodo 103 es un dispositivo semiconductor tal como un diodo de derivación Schottky o una unión p-n desarrollada de manera epitaxial. Los terminales de conexión externa 104, o los terminales de salida 104, están montados sobre el substrato 101 que está hecho de material aislante.
La célula solar 102 está conectada eléctricamente al diodo 103. La superficie superior de la célula solar 102 comprende un área de contacto 105 que, en esta implementación, ocupa los dos lados de la célula solar 102. Sin embargo, el área de contacto 105 puede tocar solamente uno, tres o todo el perímetro de la célula solar 102. En algunas implementaciones, el área de contacto 105 está hecha lo más pequeña posible para maximizar el aria que convierte la energía solar en electricidad, mientras todavía se permite la conexión eléctrica. El área de contacto 105 puede estar formada de una variedad de materiales conductores, por ejemplo, cobre, plata, y/o plata recubierta de oro.
Un recubrimiento antireflexivo se puede colocar sobre la célula solar 102. El recubrimiento antireflexivo puede ser un recubrimiento antireflexivo de múltiples capas que proporciona una baja capacidad de reflexión sobre un cierto intervalo de longitud de onda, por ejemplo de 0,3 a 1,8 \mum. Un ejemplo de un recubrimiento antireflexivo es una pila dialéctica bicapa TiO_{x}/Al_{2}O_{x}.
El área de contacto 105 está acoplada a una traza conductora que está dispuesta sobre el substrato 101. En esta implementación, el contacto está acoplado con la traza conductora mediante una pluralidad de uniones de alambre 106. El número de uniones de alambre 106 puede estar relacionado, entre otras cosas, con la cantidad de corriente generada mediante las célula solar 102. La célula solar 102 y el diodo 103 están conectados en paralelo.
La célula solar 102 incluye en esta implementación dos pares de separadores 107. Cada par está situado en el mismo lado de cada una de las áreas de contacto 105. Tal como puede apreciarse en la figura, los separadores 107 estarán colocados cerca del extremo del substrato 101, estando situadas las uniones de alambre 106, las áreas de contacto 105 y la célula solar 102 entre los dos pares de separadores 107.
Los separadores 107 son resistencias 107. Un equipo automático puede colocar las resistencias 107 en los lugares correctos sin ninguna modificación de dicho equipo. Las resistencias 107, sin embargo, no están conectadas a nada, siendo su papel el de actuar como un soporte de la tapa 108 mostrada en la figura sobre las resistencias 107, cubriendo y protegiendo dichas resistencias 107 y la célula solar 102. Al estar cubierta la célula solar 102 mediante dicha tapa 108, la tapa 108 se debe hacer de un material que no bloquee o atenúe la energía solar. El vidrio es el material elegido para esta implementación, sin embargo, se pueden utilizar otros materiales.
A la vista de esta descripción y del dibujo, un experto en la materia entenderá que la realización de la invención que se ha descrito se puede combinar de muchas maneras dentro del objeto de la invención. La invención se ha descrito según una realización preferida de la misma, pero será evidente para un experto en la materia que se pueden introducir muchas variaciones en dichas realizaciones sin apartarse del alcance de la invención reivindicada.

Claims (13)

1. Aparato para convertir energía solar en electricidad, que comprende:
un substrato,
una célula solar multiunión de compuesto semiconductor III-V para convertir la energía solar en electricidad, estando montada la célula solar sobre el substrato y comprendiendo un primer contacto acoplado a un lado de polaridad p de la célula y un segundo contacto acoplado a un lado de polaridad n de la célula,
un diodo, sobre el substrato, que comprende un cuerpo, un contacto de ánodo y en contacto de cátodo, estando acoplado el diodo en paralelo con el primer y el segundo contactos de la célula solar, de manera que el contacto de ánodo del diodo está acoplado al primer contacto y el contacto de cátodo del diodo está acoplado al segundo contacto, y
unos terminales de salida montados sobre el substrato y acoplados a la célula solar y al diodo para manejar más de 10 W de potencia,
caracterizado porque
el aparato también comprende por lo menos un separador y una tapa, estando configurada dicha tapa para cubrir y proteger dicho aparato.
2. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el separador es un componente de montaje superficial de un espesor apropiado.
3.- Aparato según la reivindicación 2, caracterizado porque el separador es una resistencia.
4. Aparato según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el componente de montaje superficial no está conectado eléctricamente a nada.
5. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el separador es un marco anular de un espesor apropiado.
6. Aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque la tapa es una tapa de vidrio.
7. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la tapa está montada sobre los separadores.
8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el diodo se puede accionar para estar polarizado en sentido directo en los casos en que la célula solar no esté generando por encima de una tensión límite.
9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la célula solar comprende por lo menos una capa que comprende InGaP, InGaAs o GaAs.
10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la célula solar comprende un recubrimiento antireflexivo.
11. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un material de silicona entre la célula solar y la tapa.
12. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque comprende una capa de aire entre la célula solar y la tapa.
13. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicho, al menos un, separador está situado al lado de la célula solar y porque dicha tapa está montada sobre dicho, al menos un, separador de manera que cubre dicha célula solar de forma individual.
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