ES2363701T3 - Circuito de refrigeración para un receptor de radiación solar. - Google Patents

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Abstract

Un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar que incluye: (a) un receptor (7) que incluye (i) una pluralidad de células fotovoltaicas (5) para la conversión de la energía solar en energía eléctrica, (ii) un circuito eléctrico para la transferencia de la producción de energía eléctrica de las células fotovoltaicas (5) y (iii) un marco (15, 99) que soporta las células fotovoltaicas (5) de modo que formen una superficie al menos sustancialmente continua que se expone a la radiación solar concentrada reflejada; y (iv) un circuito refrigerante para la refrigeración de las células fotovoltaicas (5) con un refrigerante y (b) un medio para la concentración de la radiación solar en el receptor (7); y estando caracterizado por que el sistema del receptor incluye una pluralidad de módulos (23), incluyendo cada módulo (23) una pluralidad de células fotovoltaicas; el marco (15, 99) soporta los módulos en una matriz de módulos de modo que las células fotovoltaicas (5) forman la al menos sustancialmente continua superficie; cada módulo (23) incluye la conexión eléctrica que forma parte del circuito eléctrico receptor, cada módulo (23) incluye una estructura de soporte que soporta las células fotovoltaicas (5) que incluye una entrada de refrigerante y una salida de refrigerante; el circuito de refrigerante incluye una trayectoria del flujo de refrigerante en cada módulo (23) que se extiende desde la entrada de refrigerante (45) a la salida de refrigerante (46) y que está en contacto térmico con las células fotovoltaicas (5) de modo que durante el uso el refrigerante que fluye a través de la trayectoria de flujo extrae calor de las células fotovoltaicas y refrigera de ese modo las células (5) y el marco soporte (15, 99) incluye una trayectoria de flujo de refrigerante que suministra refrigerante a las entradas de refrigerante (45) de los módulos (23) y retirar refrigerante de las salidas de refrigerante (46) de los módulos (23).

Description

La presente invención se refiere a un receptor de un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de radiación solar.
Los sistemas de generación de energía eléctrica basados en la radiación solar incluyen típicamente:
(a)
un receptor que incluye una pluralidad de células fotovoltaicas que convierten la energía solar en energía eléctrica y un circuito eléctrico para la transferencia de la producción de energía eléctrica de las células fotovoltaicas; y
(b)
un medio para la concentración de la radiación solar en las células fotovoltaicas del receptor.
A modo de ejemplo, el medio para la concentración de la radiación solar puede ser un reflector de plato que incluye una matriz parabólica de espejos que reflejan la radiación solar que incide sobre un área superficial relativamente grande de los espejos hacia un área superficial relativamente pequeña de las células fotovoltaicas.
Además de la matriz parabólica de espejos, el reflector de plato descrito anteriormente puede incluir también un sistema secundario de espejos adaptados para la modificación de la radiación solar (tal como un modificador de flujo solar).
Otro medio, aunque no el único, para la concentración de la radiación solar es una matriz de espejos separados que se sitúan de modo que reflejen la radiación solar que incide sobre un área superficial relativamente grande de los espejos hacia un área superficial relativamente pequeña de las células fotovoltaicas.
El documento DE 44 05 650 C1 describe un generador de energía solar que incluye un sistema de recogida de la energía solar con un espejo curvado que se sitúa para recibir los rayos del sol.
Se posiciona un módulo de energía solar en el punto focal del espejo y los paneles reflectores en ángulo proyectan y dirigen los rayos desde el módulo dentro del alcance del espejo. El módulo de energía solar está relleno con un fluido de refrigeración que circula mediante una bomba a través de un tanque.
El documento GB 2 026 767 describe un módulo de matriz solar de concentradores que tienen un absorbente de calor metálico con una superficie de montaje plana, un separador del semiconductor provisto con una capa de material aislante por ejemplo en la forma de óxido de silicio sobre una superficie que se fija a la superficie de montaje del absorbente térmico mediante un adhesivo térmicamente conductor, una célula solar de semiconductor soldada al separador y una cubierta de vidrio fijada a la célula solar mediante un adhesivo.
La cubierta de vidrio está provista con una superficie texturada para producir la difusión de la luz que incide sobre la célula solar.
La presente invención se refiere más particularmente, aunque de ninguna manera exclusivamente, a un sistema de generación de energía eléctrica en gran escala basado en la radiación solar del tipo descrito anteriormente que es capaz de producir cantidades sustanciales de energía eléctrica lista para su acondicionamiento hasta al menos 20 kW de corriente alterna trifásica estándar de 415 voltios.
Las aplicaciones para tales sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala incluyen la alimentación de potencia en áreas remotas para redes aisladas, energía conectada a la red, bombeo de agua, telecomunicaciones, bombeo de crudo petrolífero, purificación de agua y generación de hidrógeno.
Un problema significativo asociado con el desarrollo de los sistemas de generación de energía eléctrica basados en la radiación solar comercialmente viables del tipo descrito anteriormente es el rendimiento a largo plazo de los materiales y la integridad estructural de los componentes del sistema hechos de esos materiales como consecuencia de:
(a)
la exposición a una radiación solar de intensidad extremadamente alta capaz de producir altas temperaturas, por ejemplo temperaturas considerablemente por encima de 1000ºC;
(b)
los ciclos entre intensidades de radiación solar alta y baja; y
(c)
las variaciones de temperatura entre diferentes partes de los componentes estructurales. El receptor es un área de particular importancia en este sentido.
Específicamente, en los sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala basados en energía solar del tipo descrito anteriormente las células fotovoltaicas se exponen a intensidades de radiación solar al menos 200 veces la intensidad del sol durante las condiciones de operación óptima. Además, las células fotovoltaicas están sometidas a ciclos significativos entre niveles de radiación solar extremadamente alta y baja y a variaciones en la intensidad de radiación solar a través de la superficie del receptor.
Un objeto de la presente invención es proporcionar un receptor que sea capaz de una exposición a largo plazo a intensidades extremadamente altas de radiación solar, ciclos entre intensidades de radiación solar extremadamente alta y baja y variaciones de temperatura entre diferentes secciones de los componentes del receptor.
De acuerdo con la presente invención se proporciona un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de radiación solar como se reivindica en la Reivindicación 1.
El solicitante ha descubierto que el receptor anteriormente descrito es capaz de extraer cantidades significativas de calor generada por la radiación solar incidente de una manera eficiente y fiable. Específicamente, el solicitante ha descubierto que la realización preferida del receptor descrita con más detalle a continuación es capaz de extraer hasta 50 W/cm2 de la célula fotovoltaica expuesta. Por ello, el receptor acomete el significativo problema de que una gran parte de la radiación incidente sobre los receptores de un sistema de generación de energía eléctrica a gran escala basados en la radiación solar no se convierte en electricidad y se manifiesta a sí misma como calor lo que reduce la eficiencia de las células fotovoltaicas.
Además, la modularidad del receptor acomete (al menos en parte) el problema de que las localizaciones óptimas para los sistemas de generación de energía solar a gran escala basados en la radiación solar tienden a estar en regiones que están alejadas de poblaciones importantes y centros de fabricación y, por lo tanto, la construcción de sistemas en tales localizaciones remotas presenta dificultades significativas en términos de transporte del equipo a los emplazamientos, construcción en el emplazamiento y mantenimiento continuo (incluyendo la rápida sustitución de piezas de los componentes) en los emplazamientos.
Además, la modularidad del receptor hace posible mejorar la fabricación del receptor porque la fabricación se puede basar en la fabricación repetida de un número relativamente grande de módulos relativamente pequeños más que en un número pequeño de grandes componentes.
Preferiblemente durante el uso un refrigerante mantiene las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 80ºC.
Más preferiblemente durante el uso un refrigerante mantiene las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 70ºC.
Se prefiere particularmente que durante el uso un refrigerante mantenga las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 60ºC.
Se prefiere más particularmente que durante el uso un refrigerante mantenga las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 40ºC.
Cada módulo incluye una estructura que soporta las células fotovoltaicas.
Preferiblemente la estructura de soporte define la trayectoria del flujo de refrigerante para la extracción de calor de las células fotovoltaicas.
Preferiblemente la estructura de soporte incluye:
(a)
un elemento de refrigeración que define al menos parcialmente la trayectoria del flujo, un elemento refrigerante que está formado de un material que tiene una alta conductividad térmica; y
(b)
un sustrato interpuesto entre el elemento refrigerante y las células fotovoltaicas, incluyendo el sustrato una capa formada de un material que tiene una alta conductividad térmica y es un aislante eléctrico.
Preferiblemente el elemento refrigerante actúa como un absorbente de calor.
El elemento refrigerante puede estar hecho con cualquier material adecuado de conductividad térmica elevada.
A modo de ejemplo, el elemento refrigerante puede ser un metal o cerámica de conductividad térmica elevada.
Preferiblemente el elemento refrigerante está hecho de cobre.
Preferiblemente la capa de alta conductividad térmica/aislamiento eléctrico del sustrato se forma de material cerámico.
Preferiblemente el sustrato incluye una capa metalizada interpuesta entre las células fotovoltaicas y la capa de alta conductividad térmica/aislamiento eléctrico.
Preferiblemente el sustrato incluye una capa metalizada interpuesta entre la capa de alta conductividad térmica/aislamiento eléctrico y el elemento refrigerante.
Preferiblemente el elemento refrigerante incluye una base, una pared que se extiende hacia arriba desde la base y hace contacto con el sustrato, mediante lo que la base, la pared lateral y el sustrato definen una cámara refrigerante cerrada que forma parte de la trayectoria del flujo de refrigerante.
Preferiblemente el elemento refrigerante incluye una serie de plataformas separadas que se extienden desde la base y hacen contacto con el sustrato en una parte central de la cámara y definen entre ellas canales para el flujo de refrigerante desde cerca del extremo de la cámara a cerca de un extremo opuesto de la cámara.
Preferiblemente las plataformas separadas son paralelas de modo que los canales sean paralelos.
Con la disposición anteriormente descrita hay un contacto térmico directo entre el sustrato y el refrigerante que fluye a través de la cámara de refrigerante (incluyendo los canales) y entre el sustrato y la pared lateral y las plataformas. Esta construcción proporciona un medio efectivo para la transferencia de calor desde las células fotovoltaicas a través del sustrato al refrigerante. En particular, la pared lateral y las plataformas proporcionan un medio efectivo para aumentar el área superficial de contacto disponible con el refrigerante para mejorar la transferencia de calor al refrigerante. Esta es una característica importante dados los altos niveles de transferencia de calor que se requieren para mantener las células fotovoltaicas a temperaturas por debajo de 80ºC, preferiblemente por debajo de 60ºC, más preferiblemente por debajo de 40ºC. Una ventaja adicional de la construcción es que la pared lateral y las plataformas permiten un movimiento lateral del sustrato y del elemento refrigerante —como se requiere en muchas situaciones para acomodar las diferentes expansiones térmicas de los materiales que se usan en la construcción de los módulos—. La acomodación a diferentes expansiones térmicas de tales materiales es un aspecto importante en términos de mantenimiento de la integridad estructural a largo plazo de los módulos. En este contexto, es importante tener en cuenta que los altos niveles de transferencia de calor que se requieren para mantener las células fotovoltaicas a temperaturas por debajo del 80ºC producen restricciones considerables en la selección de materiales para los componentes de los módulos. En consecuencia, los materiales preferidos para los diferentes componentes de los módulos y para la unión por fijación de los diferentes componentes de los módulos son materiales que tienen diferentes expansiones térmicas. Hay dos aspectos del problema de la selección de materiales y de la transferencia de calor. Un aspecto son los requisitos materiales de los componentes de los módulos, tal como el sustrato y el elemento refrigerante, para definir las trayectorias del flujo de calor desde las células fotovoltaicas al refrigerante que fluye a través de la cámara de refrigerante. El otro aspecto son los requisitos materiales para contener las elevadas presiones hidráulicas dentro de la cámara de refrigerante que se requieren para mantener el flujo de refrigerante a través de la cámara refrigerante a niveles requeridos. En particular, el segundo aspecto está relacionado con la selección de los materiales para alcanzar una resistencia de fijación suficiente entre el sustrato y el elemento refrigerante.
Preferiblemente la base incluye una entrada de refrigerante y una salida de refrigerante para el suministro del refrigerante y la retirada del refrigerante de extremos opuestos de la cámara, formando los extremos opuestos de la cámara unos colectores.
La entrada de refrigerante, los colectores de refrigerante, la salida de refrigerante y los canales de refrigerante anteriormente descritos definen la trayectoria del flujo del refrigerante en la estructura de soporte del módulo.
Preferiblemente la relación del ancho total de los canales y del ancho total de las plataformas está en el intervalo de 0,5:1 a 1,5:1.
Preferiblemente la relación del ancho total de los canales y del ancho total de las plataformas es del orden de 1:1.
Preferiblemente la relación del alto y el ancho de cada canal está en el intervalo de 1,5:1 a 5:1.
Más preferiblemente la relación del alto y el ancho de cada canal está en el intervalo de 1,5:1 a 2,5:1.
Es particularmente preferible que la relación del alto y el ancho de cada canal sea del orden de 3:1.
El receptor incluye el marco que soporta los módulos en una matriz de módulos.
El marco de soporte soporta los módulos de modo que las células fotovoltaicas forman una superficie al menos sustancialmente continua que se expone a la radiación solar concentrada reflejada.
La superficie puede ser plana, curvada o escalonada en la forma Fresnel.
El marco de soporte incluye una trayectoria del flujo de refrigerante que suministra refrigerante a las entradas de refrigerante de los módulos y retirar el refrigerante de las salidas de refrigerante de los módulos.
Preferiblemente el refrigerante es agua.
Preferiblemente la temperatura de entrada del agua está en el intervalo de 20-30ºC.
Preferiblemente la temperatura de salida del agua está en el intervalo de 25-40ºC.
Preferiblemente el medio de concentración de la radiación solar sobre el receptor es un reflector de plato que incluye una matriz de espejos para la reflexión de la radiación solar que incide sobre los espejos hacia las células fotovoltaicas.
Preferiblemente el área superficial de los espejos del reflector de plato que está expuesta a la radiación solar es sustancialmente más grande que el área de la superficie de las células fotovoltaicas que está expuesta a la radiación solar reflejada.
De acuerdo con un aspecto que no forma parte de la presente invención se proporciona también un módulo de células fotovoltaicas para un receptor de un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de radiación solar, cuyo módulo incluye: una pluralidad de células fotovoltaicas, una conexión eléctrica para la transferencia de la producción de energía eléctrica de las células fotovoltaicas y una trayectoria del flujo de refrigerante que está en contacto térmico con las células fotovoltaicas de modo que durante el uso el refrigerante que fluye a través de la trayectoria de flujo refrigera las células fotovoltaicas.
Las características preferidas del módulo son como las descritas anteriormente.
La presente invención se describe adicionalmente a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, de los que:
La Figura 1 es una vista en perspectiva de una realización preferida del sistema para la generación de energía eléctrica a partir de radiación solar; la Figura 2 es una vista frontal del receptor del sistema mostrado en la Figura 1 que ilustra el área superficial expuesta de las células fotovoltaicas del receptor; la Figura 3 es una vista en perspectiva en corte parcial del receptor con componentes retirados para ilustrar con más claridad el circuito refrigerante que forma parte del receptor; la Figura 4 es una vista ampliada de la sección de la Figura 3 que se describe por un rectángulo; la Figura 5 es una vista en perspectiva de despiece de un módulo de células fotovoltaicas que forma parte del
receptor; la Figura 6 es un alzado lateral del módulo de células fotovoltaicas montado de la Figura 5; la Figura 7 es una sección a lo largo de la línea A-A de la Figura 6; la Figura 8 es una vista ampliada de la región B recirculada de la Figura 7; y la Figura 9 es una vista ampliada de la región C recirculada de la Figura 7.
El sistema de generación de energía eléctrica basado en la radiación solar mostrado en la Figura 1 incluye una matriz parabólica de espejos 3 que reflejan la radiación solar que incide sobre los espejos hacia una pluralidad de células fotovoltaicas 5.
Las células 5 forman parte de un receptor de radiación solar que se identifica en general por el número 7.
Como se describe con más detalle posteriormente en el presente documento, el receptor 7 incluye un circuito refrigerante integrado. El área superficial de los espejos 3 que está expuesta a la radiación solar es sustancialmente más grande que el área superficial de las células fotovoltaicas 5 que está expuesta a la radiación solar reflejada. Las células fotovoltaicas 5 convierten la radiación solar reflejada en energía eléctrica de corriente continua. El receptor 7 incluye un circuito eléctrico (no mostrado) para la salida de la energía eléctrica de las células fotovoltaicas.
Los espejos 3 se montan en un marco 9. Los espejos y el marco definen un reflector de plato.
Se extienden una serie de brazos 11 desde el marco 9 hasta el receptor 7 y localizan el receptor como se muestra en la Figura 1.
El sistema incluye además:
(a)
un montaje de soporte 13 que soporta el plato reflector y el receptor en relación a una superficie de tierra y para el movimiento de seguimiento del sol; y
(b)
un sistema de seguimiento (no mostrado) que mueve el plato reflector y el receptor como se requiera para seguir al sol.
Como se ha indicado anteriormente, el receptor 7 incluye un circuito refrigerante. El circuito refrigerante refrigera las células fotovoltaicas 5 del receptor 7 con un refrigerante, preferiblemente agua, para minimizar la temperatura de funcionamiento y para maximizar el rendimiento (incluyendo la vida operativa) de las células fotovoltaicas 5.
El receptor 7 se construye a propósito para incluir el circuito refrigerante.
Las Figuras 3 y 4 ilustran los componentes del receptor que son relevantes para el circuito refrigerante. Se hace notar que un número de otros componentes del receptor 7, tales como los componentes que forman el circuito eléctrico del receptor 7, no están incluidos en las Figuras por claridad.
Con referencia a las Figuras 3 y 4, el receptor 7 incluye una estructura en general con forma de caja que se define por un montaje de postes huecos 15.
El receptor 7 incluye también un modificador de flujo solar, identificado en general por el número 19, que se extiende desde una pared inferior 99 (tal como se ve en la Figura 3) de la estructura similar a caja. El modificador de flujo solar 19 incluye 4 paneles 21 que se extienden desde la pared inferior 99 y convergen entre sí. El modificador de flujo solar 19 incluye también espejos 91 montados en las caras que miran hacia el interior de los paneles 21.
El receptor 7 incluye también una matriz de 1536 células fotovoltaicas rectangulares estrechamente empaquetadas 5 que se montan en 64 módulos cuadrados 23. La matriz de células 5 se puede ver mejor en la Figura 2. La expresión “estrechamente empaquetadas” significa que el área superficial expuesta de las células fotovoltaicas 5 compone al menos el 98% del área superficial total expuesta de la matriz. Cada módulo incluye 24 células fotovoltaicas 5. Las células fotovoltaicas 5 se montan sobre cada módulo 23 de modo que la superficie expuesta de la matriz de células es una superficie continua.
Los módulos 23 se montan en la pared inferior 99 de la estructura similar a caja del receptor 7 de modo que la superficie expuesta de la matriz combinada de células fotovoltaicas 5 es un plano continuo.
Los módulos 23 se montan en la pared inferior 99 de modo que es posible el movimiento lateral entre los módulos 23 y el resto del receptor 7. El movimiento lateral permitido ayuda en la adaptación a la diferente expansión térmica de los componentes del receptor 7.
Como se describe con más detalle posteriormente en el presente documento, cada módulo 23 incluye una trayectoria del flujo refrigerante. La trayectoria del flujo refrigerante es una parte integrada de cada módulo 23. La trayectoria del flujo refrigerante permite que el refrigerante esté en contacto térmico con las células fotovoltaicas 5 y extraiga calor de las células 5 de modo que las células 5 se mantengan a una temperatura de no más de 80ºC, preferiblemente no más de 60ºC, más preferiblemente no más de 40ºC.
La trayectoria del flujo refrigerante de los módulos 23 forma parte del circuito refrigerante.
El circuito refrigerante incluye también los postes huecos 15 descritos anteriormente.
Además, el circuito refrigerante incluye una serie de canales refrigerantes paralelos 17 que forman parte de la pared inferior 99 de la estructura similar a caja. Los extremos de los canales 17 se conectan al par opuesto de postes horizontales inferiores 15 respectivamente mostrados en la Figura 3. Los postes inferiores 15 definen un colector aguas arriba que distribuye el refrigerante a los canales 17 y un colector aguas abajo que recoge el refrigerante de los canales 17. Los módulos 23 se montan en la superficie inferior de los canales 17 y están en comunicación para fluidos con los canales de modo que el refrigerante fluye a través de los canales 17 dentro y a través del recorrido del flujo de refrigerante de los módulos 23 y de vuelta a los canales 17 y de ese modo refrigeran las células fotovoltaicas 5.
El circuito refrigerante incluye también una entrada de refrigerante 61 y una salida de refrigerante 63. La entrada 61 y la salida 63 se localizan en una pared superior de la estructura similar a caja. La entrada 61 se conecta al poste horizontal 15 superior adyacente y la salida 63 se conecta al poste horizontal 15 superior adyacente como se muestra en la Figura 3.
Durante el uso, el refrigerante que se suministra desde una fuente (no mostrada) fluye a través de la entrada 61 dentro de los postes horizontales 15 superiores conectados a la entrada 61 y entonces hacia abajo hacia los postes verticales 15 conectados al poste horizontal superior 15. El refrigerante fluye entonces dentro del colector inferior 15 aguas arriba y, como se ha descrito anteriormente, a lo largo de los canales 17 y de las trayectorias de flujo de refrigerante de los módulos 23 y dentro del colector inferior 15 aguas abajo. El refrigerante fluye entonces hacia arriba a través de los postes verticales 15 que se conectan al colector inferior 15 aguas abajo y dentro del poste horizontal superior 15. El refrigerante se descarga entonces desde el receptor 7 a través de la salida 63. El flujo de refrigerante descrito anteriormente se ilustra por las flechas en las Figuras 3 y 4.
Las Figuras 5 a 9 ilustran la construcción básica de cada módulo 23.
Como se ha indicado anteriormente, cada módulo 23 incluye una matriz de 24 células fotovoltaicas 5 estrechamente empaquetadas.
Cada módulo 23 incluye un sustrato, identificado en general por el número 27, sobre el que se montan las células 5. El sustrato incluye una capa central 29 de un material cerámico y unas capas metalizadas exteriores 31, 33 sobre las caras opuestas de la capa de material cerámico 29.
Cada módulo 23 incluye también una cubierta de vidrio 37 que se monta sobre la superficie expuesta de la matriz de células fotovoltaicas 5. La cubierta de vidrio 37 puede estar formada para optimizar la transmisión de las longitudes de onda útiles de la radiación solar y minimizar la transmisión de las longitudes de onda no deseadas de la radiación solar.
Cada módulo 23 incluye también un elemento refrigerante 35 que se monta en la superficie del sustrato 27 que está en oposición a la matriz de células fotovoltaicas 5.
El tamaño del elemento refrigerante 35 y el material del que está hecho se seleccionan de modo que el elemento refrigerante 35 actúe como un absorbente de calor. Un material preferido es cobre.
Adicionalmente, el elemento refrigerante 35 está formado para definir una serie de trayectorias de flujo para el refrigerante para la refrigeración de las células fotovoltaicas 5.
Cada módulo 23 incluye también conexiones eléctricas identificadas en general por el número 81 que forman parte del circuito eléctrico del receptor y se conectan eléctricamente a las células fotovoltaicas 5 dentro del circuito eléctrico. Las conexiones eléctricas 61 se colocan para extenderse desde la capa metalizada exterior 31 y a través del sustrato 27 y el elemento refrigerante 35. Las conexiones eléctricas 61 se alojan dentro de manguitos 83 que aíslan eléctricamente las conexiones eléctricas.
El elemento refrigerante 35 incluye una base 39 y una pared lateral 41 que se extiende desde la base 39. El borde superior 43 de la pared lateral 41 se adhiere físicamente al sustrato 27. Se puede apreciar en la Figura 5 que la base 35 y sustrato 27 definen una cámara cerrada. Las base 39 incluye una entrada de refrigerante 45 (Figura 4) y una salida de refrigerante (Figura 4). La entrada de refrigerante 45 y la salida de refrigerante 46 se localizan en zonas de esquina diagonalmente opuestas de la base 39.
El elemento refrigerante 35 incluye además una serie de plataformas paralelas 47 (Figura 9) que se extienden hacia arriba desde la base 39 y ocupan una parte sustancial de la cámara. Las superficies superiores de las plataformas 47 se adhieren físicamente al sustrato 27. Las plataformas 47 no se extienden a los extremos de la cámara y estas zonas extremas opuestas de la cámara definen un colector de entrada de refrigerante 49 y un colector de salida de refrigerante 51. Las plataformas 47 se extienden lado a lado sustancialmente a través del ancho de la cámara. Los huecos entre plataformas adyacentes 47 definen unos canales de flujo de refrigerante 53.
Es evidente a partir de lo anterior que la entrada de refrigerante 45, el colector de refrigerante 49, los canales de flujo 53, el colector de salida de refrigerante 49 y la salida de refrigerante 46 definen la trayectoria de flujo del refrigerante de cada módulo 23.
El solicitante ha descubierto que seleccionando:
(i)
el ancho de las plataformas 47 y de los canales 53 de modo que la relación de anchos sea del orden de 1:1; y
(ii)
la altura y el ancho de los canales 53 de modo que la relación entre la altura y el ancho sea del orden de 2:1; es posible conseguir una transferencia de calor suficiente desde las células fotovoltaicas 5 al refrigerante para mantener las células fotovoltaicas 5 a una temperatura de no más de 60ºC donde, en otro caso, un módulo sin refrigerar estaría a temperaturas que excederían claramente los 1000ºC a la vista de las elevadas intensidades de radiación solar incidente sobre las células fotovoltaicas 5.
Como se ha indicado anteriormente, la construcción del elemento refrigerante 35 hace posible conseguir los altos niveles de transferencia de calor que se requieren para mantener las células fotovoltaicas 5 a temperaturas de no más de 60ºC y para adaptarse a la sustancialmente diferente expansión térmica del elemento refrigerante 35 y del sustrato 27 que en otro caso produciría un fallo estructural en los módulos 23. Específicamente, hay una transferencia de calor desde el sustrato 27 al refrigerante por medio del contacto directo del refrigerante con el sustrato 27 y a través de la pared lateral 41 y las plataformas 47. La construcción de las plataformas 47 como los medios para definir los canales de flujo 53 aumenta sustancialmente el área superficial de contacto de transferencia de calor con el refrigerante. Específicamente, las plataformas 47 proporcionan una oportunidad para la transferencia de calor al refrigerante a través de los laterales y la base de los canales 53. Además, las plataformas 47 definen una serie de “dedos” separados y esa disposición hace posible ajustarse al movimiento lateral relativo del sustrato 27 y del elemento refrigerante 35 como consecuencia de la diferente expansión térmica de los materiales de los que están hechos estos componentes y los materiales que unen por adherencia estos componentes.
La Figura 4 ilustra la posición de un módulo 23 sobre la pared inferior del receptor 7. Con referencia a la Figura, la entrada de refrigerante 45 se abre dentro de un canal de refrigerante 17 del circuito de refrigerante y la salida de refrigerante opuesta en diagonal 46 se abre dentro de un canal de refrigerante adyacente 17 del circuito de refrigerante.
Durante el uso, como se indica por las flechas en las Figuras 4 y 5, el refrigerante fluye desde un canal de alimentación 17 dentro del colector de entrada 49 por medio de la entrada de refrigerante 45 y fluye a continuación desde el colector de refrigerante 49 dentro y a lo largo de la longitud de los canales 53 al colector de salida 51. Posteriormente, el refrigerante fluye desde la cámara a través de la salida de refrigerante 46 dentro del canal adyacente 17.
Se pueden realizar muchas modificaciones a la realización preferida descrita anteriormente sin separarse del espíritu y alcance de la presente invención.
A modo de ejemplo, mientras que la realización preferida incluye 1536 células fotovoltaicas 5 montadas en 64 módulos 23 con 24 células por módulo, la presente invención no está limitada a ello y se extiende a cualquier número y tamaño adecuado de células fotovoltaicas y de módulos.
A modo de ejemplo adicional, mientras que las células fotovoltaicas se montan de modo que la superficie expuesta de la matriz de células es una superficie plana, la presente invención no está limitada a ello y se extiende a cualquier superficie con forma adecuada, tal como superficies curvadas o escalonadas.
A modo de ejemplo adicional, mientras que la realización preferida incluye el circuito de refrigerante del receptor que forma parte del marco de soporte del receptor, la presente invención no está limitada a ello y se extiende a disposiciones en las que el circuito refrigerante no sea parte del marco estructural del receptor.
A modo de ejemplo adicional, mientras que la realización preferida incluye una serie de plataformas alargadas paralelas 47 que se extienden entre los extremos de la cámara refrigerante, la presente invención no está limitada a ello y no es esencial que las plataformas sean paralelas y no es esencial que las plataformas sean alargadas. Específicamente, está dentro del alcance de la presente invención que haya huecos en las plataformas 47. Los huecos en las plataformas pueden estar requeridos en ciertas circunstancias para mejorar la flexibilidad lateral del elemento refrigerante 35 con relación al sustrato 27.
A modo de ejemplo adicional, mientras que la realización preferida incluye un reflector de plato en la forma de una matriz parabólica de espejos 3, la presente invención no está limitada a ello y se extiende a cualquier medio adecuado de concentración de la radiación solar sobre un receptor.
A modo de ejemplo adicional, mientras que la realización preferida del receptor se construye a partir de componentes extrudidos, la presente invención no está limitada a ello y el receptor puede estar realizado por cualquier medio adecuado.

Claims (18)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar que incluye:
    (a) un receptor (7) que incluye (i) una pluralidad de células fotovoltaicas (5) para la conversión de la energía solar en energía eléctrica, (ii) un circuito eléctrico para la transferencia de la producción de energía eléctrica de las células fotovoltaicas (5) y (iii) un marco (15, 99) que soporta las células fotovoltaicas (5) de modo que formen una superficie al menos sustancialmente continua que se expone a la radiación solar concentrada reflejada; y (iv) un circuito refrigerante para la refrigeración de las células fotovoltaicas (5) con un refrigerante y
    (b) un medio para la concentración de la radiación solar en el receptor (7); y estando caracterizado por que el sistema del receptor incluye una pluralidad de módulos (23), incluyendo cada módulo (23) una pluralidad de células fotovoltaicas; el marco (15, 99) soporta los módulos en una matriz de módulos de modo que las células fotovoltaicas (5) forman la al menos sustancialmente continua superficie; cada módulo (23) incluye la conexión eléctrica que forma parte del circuito eléctrico receptor, cada módulo (23) incluye una estructura de soporte que soporta las células fotovoltaicas (5) que incluye una entrada de refrigerante y una salida de refrigerante; el circuito de refrigerante incluye una trayectoria del flujo de refrigerante en cada módulo (23) que se extiende desde la entrada de refrigerante (45) a la salida de refrigerante (46) y que está en contacto térmico con las células fotovoltaicas (5) de modo que durante el uso el refrigerante que fluye a través de la trayectoria de flujo extrae calor de las células fotovoltaicas y refrigera de ese modo las células (5) y el marco soporte (15, 99) incluye una trayectoria de flujo de refrigerante que suministra refrigerante a las entradas de refrigerante (45) de los módulos (23) y retirar refrigerante de las salidas de refrigerante (46) de los módulos (23).
  2. 2.
    El sistema definido en la Reivindicación 1 en el que la pluralidad de módulos (23) se dispone en una matriz bidimensional de módulos (23).
  3. 3.
    El sistema definido en la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2 en el que los módulos (23) se disponen de modo que hay un flujo paralelo de refrigerante a través de las trayectorias de flujo en los módulos (23).
  4. 4.
    El sistema definido en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la estructura de soporte de cada módulo (23) incluye:
    (a)
    un elemento refrigerante (35) que define al menos parcialmente la trayectoria de flujo, estando formado el elemento refrigerante con un material térmicamente conductor; y
    (b)
    un sustrato (27) interpuesto entre el elemento refrigerante (35) y las células fotovoltaicas (5), incluyendo el sustrato (27) una capa térmicamente conductora (29) que es un aislante eléctrico.
  5. 5.
    El sistema definido en la Reivindicación 4 en el que el elemento refrigerante (35) de cada módulo (23) comprende una pluralidad de canales de flujo que definen parte de la trayectoria de flujo.
  6. 6.
    El sistema definido en la Reivindicación 4 o la Reivindicación 5 en el que la capa térmicamente conductora (29) del sustrato (27) está formada con un material cerámico.
  7. 7.
    El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 4 a 6 en el que el sustrato (27) incluye una capa metalizada (31) interpuesta entre las células fotovoltaicas (5) y la capa térmicamente conductora (29).
  8. 8.
    El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 4 a 6 en el que el sustrato (27) incluye una capa metalizada (33) interpuesta entre la capa térmicamente conductora (29) y el elemento refrigerante (35).
  9. 9.
    El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 4 a 7 en el que el elemento refrigerante (35) incluye una base (39), una pared (41) que se extiende hacia arriba desde la base (39) y hace contacto con el sustrato (27) mediante el que la base (39), la pared lateral (41) y el sustrato (27) definen una cámara de refrigerante cerrada que forma parte de la trayectoria de flujo de refrigerante.
  10. 10.
    El sistema definido en la Reivindicación 9 en el que el elemento refrigerante (35) incluye una serie de plataformas separadas (47) que se extienden desde la base (39) y hacen contacto con el sustrato (27) en una parte central de la cámara y definen canales (53) entre ellas para el flujo del refrigerante desde cerca de un extremo de la cámara a cerca de un extremo opuesto de la cámara.
  11. 11.
    El sistema definido en la Reivindicación 10 en el que las plataformas separadas (47) son paralelas de modo que los canales (53) están separados.
  12. 12.
    El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 9 a 11 en el que la base (39) incluye una entrada de refrigerante (45) y una salida de refrigerante (46) para el suministro de refrigerante a y la retirada del refrigerante de los extremos opuestos de la cámara, formando los extremos opuestos de la cámara colectores de refrigeración (49, 51).
  13. 13.
    El sistema definido en la Reivindicación 12 en el que la entrada de refrigerante (45), el colector de refrigerante
    (49, 51), la salida de refrigerante (46) y los canales de refrigerante (53) definen una trayectoria de flujo del refrigerante de la estructura de soporte del módulo (23).
  14. 14.
    El sistema definido en la Reivindicación 10 en el que la relación del ancho total de los canales (53) al ancho total
    de las plataformas (47) está en el intervalo de 0,5:1 a 1,5:1. 5
  15. 15. El sistema definido en la Reivindicación 14 en el que la relación del ancho total de los canales (53) al ancho total de las plataformas (47) es del orden de 1:1.
  16. 16. El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 10, 14 ó 15 en el que la relación entre la altura y el 10 ancho de cada canal (53) está en intervalo de 1,5:1 a 5:1.
  17. 17. El sistema definido en la Reivindicación 16 en el que la relación entre la altura y el ancho de cada canal (53) está en intervalo de 1,5:1 a 2,5:1.
    15 18. El sistema definido en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el medio de concentración de la radiación solar sobre el receptor es un reflector de plato que incluye una matriz de espejos (3) para la reflexión de la radiación solar que incide sobre los espejos (3) hacia las células fotovoltaicas (5).
  18. 19. El sistema definido en la reivindicación 18 en el que el área superficial de los espejos (3) del reflector de plato 20 que se expone a la radiación solar es sustancialmente más grande que el área superficial de las células fotovoltaicas
    (5) que se expone a la radiación solar reflejada.
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