ES2395235A1 - Dispositivo fotovoltaico con un sistema optico de concentrador - Google Patents

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Abstract

El invento se refiere a un dispositivo fotovoltaico con un sistema óptico de concentrador. El dispositivo fotovoltaico comprende- por lo menos una celda solar (7) y- un sistema óptico de concentrador,comprendiendo el sistema óptico de concentrador- por lo menos un primer elemento óptico enfocador (3), situado en el lado de entrada de entrada de la luz, y- por lo menos un segundo elemento óptico (3) conectado detrás del primer elemento óptico situado en el lado de entrada de la luz y conectado delante de la celda solar (7), sobre el cual, en la posición de funcionamiento del dispositivo fotovoltaico (1), la irradiación solar incide de una manera agrupada en haz por el primer elemento óptico (3). El segundo elemento óptico (5) comprende un vidrio de silicato estabilizado en cuanto a la solarización.

Description

Dispositivo fotovoltaico con un sistema óptico de concentrador El invento se refiere en términos generales al sector de las disposiciones fotovoltaicas de generación de energía. En particular, el invento se refiere a 5
instalaciones fotovoltaicas con sistemas ópticos de concentradores.
Con el fin de disminuir los costos de inversión, que siguen siendo todavía altos, para instalaciones fotovoltaicas se pasa por diferentes rutas. Una ruta está situada en el desarrollo de celdas solares más baratas. Por ejemplo, se buscan unos materiales con los cuales las celdas solares de capa delgada se puedan producir de un modo
1O más barato y con un rendimiento más alto. En general, se puede decir, sin embargo, que las celdas de capa delgada, producibles a un precio más barato, no llegan en S>l.l rendimiento a unas celdas más caras, en particular las monocristalinas.
Otra ruta consiste en emplear unas celdas solares altamente eficientes, que disminuyen los costos de producción pero entonces mediante sistemas ópticos de 15 concentradores, puesto que con un sistema óptico de concentrador solamente se tie¡:¡b
que ocupar con celdas solares una pequeña fracción del área de superficie iluminada.
El sistema fotovoltaico de concentrador persigue los siguientes objetivos: un ahorro de material semiconductor mediante el empleo de un concentrador óptico y ur-~a elevación del rendimiento mediante el empleo de unas celdas solares altamente
20 eficientes, tales como por ejemplo las celdas solares triples sumamente eficientes. e~ empleo del concentrador óptico hace necesaria por consiguiente la puesta a disposición de unas piezas componentes ópticas especiales.
Resulta desventajoso en el caso de los sistemas ópticos de concentradores -e~ hecho de que aquí se emplean unos elementos ópticos adicionales, que deberían ssr 25 estables a largo plazo, con el fin de evitar una disminución innecesaria ere~ rendimiento. Entre otras cosas, mediante la irradiación solar propiamente dicha se pueden modificar las propiedades ópticas de los elementos. Este problema aparece en particular también cuando se utiliza un sistema óptico con varios elementos conectados unos tras de otros, siendo irradiados con una luz solar concentrada el o los
30 elemento(s) dispuesto(s) detrás en la trayectoria de los rayos o respectivamente dispuestos más cerca de la celda solar. El invento se basa por lo tanto en la misión de mejorar los dispositivos fotovoltaicos en general en lo que se refiere a su estabilidad a largo plazo. El invento se puede emplear para todos los elementos transmisores de luz de 35 un dispositivo fotovoltaico. En especial, el invento es apropiado allí donde, a causa de
altas intensidades de rayos UV, con los vidrios habituales son de esperar unas
mermas de la transmisión en los vidrios mediante la irradiación con luz UV.
En particular, de acuerdo con un aspecto adicional del invento, se debe poner a
disposición un sistema óptico secundario, que solo tenga una tendencia pequeña y
5
estacionaria a la solarización y por lo tanto sea apropiado óptimamente para su
empleo como sistemas ópticos secundarios en un dispositivo fotovoltaico de
concentrador.
Para el dispositivo conforme al invento, se prefiere el siguiente principio
constructivo general: un sistema óptico primario enfoca la luz solar sobre la celda. Con
1O
el fin de remediar los errores ópticos de este sistema óptico primario y poner a
disposición unas tolerancias lo más grandes que sean posibles para la fabricación y la
orientación mecánica del sistema de acuerdo con el nivel actual y real del sol, e~
previsto todavía un sistema óptico secundario que se encuentra directamente delante
de la celda.
15
El sistema óptico primario es de manera preferida refractivo (lente de Fresnal) o
reflectivo (espejo parabólico). Como el sistema óptico secundario se prefiere
especialmente un conductor de luz que no reproduce (en inglés "lightpipe"). Es:t~
último elemento debe de ser altamente transparente en la región de solapamiento del
espectro solar terrestre y de las curvas de sensibilidad de los habituales.
20
semiconductores 111-V, tal como por ejemplo de una celda triple. La región ae
solapamiento reseñada se extiende desde 300 nm a 1.900 nm, y por lo tanto, junto a la
región visual abarca también el infrarrojo próximo y el ultravioleta próximo.
Las piezas componentes que se han de producir, así como los materiales
empleados para el acoplamiento, deben poder resistir la carga por medio de un altO.
25
aumento de la concentración de la luz solar, por ejemplo hasta en 2.500 vece'S,
incluyendo la parte situada en el UV próximo.
Una intensa radiación de luz UV puede conducir en vidrios ópticos, sin
embargo, a la formación de centros de defectos, que reduce la transmisión, entre otras
cosas, junto a la arista de UV. Este efecto es designado como solarización. Cuanto
30
mayor es esta pérdida de transmisión tanto mayor es correspondientemente también
la pérdida de potencia en la celda solar.
La solarización de vidrios mediante una radiación de UV era relevante hasta
ahora sobre todo en la microlitografía.
En la litografía en línea i, en el caso de una irradiación con una luz que tiene
35
una longitud de onda de 365 nm pasan a emplearse unos vidrios de componentes
múltiples, que han sido estabilizados en cuanto a la solarización especialmente para la línea i.
En relación con la carga que allí aparece, el empleo en un dispositivo fotovoltaico de concentrador es de nuevo esencialmente más provocador. El ensayo de solarización, que es usual para materiales para la línea i, consiste típicamente en una carga, que dura 15 h, con una lámpara UV, que lanza sobre la muestra una potencia de radiación de aproximadamente 2.000 W/m2.
Sin ningún aumento de la concentración, la potencia superficial de la luz solar que incide sobre la tierra en Alemania es hasta de aproximadamente 1.000 W/m2 en el caso de un aumento de la concentración en el factor de 2.500, lo que corresponde a
2.500.000 W/m2. De éstos corresponden aproximadamente 50.000 W/m2 a la región dé UV de 300-400 nm. Esta estimación se basa en la suposición de un radiador negr.o con una temperatura cromática de 5. 760 °K para la luz solar. En países más meridionales se establecen todavía unos valores más altos. Así, en África del Norte s~· alcanza una potencia superficial de aproximadamente 2.200 W/m2 ya sin ning~n aumento de la concentración.
El valor que se establece para la región de 300-400 nm fue de nue\7o quintuplicado, con el fin de tomar en cuenta la absorción atmosférica especialmeni:e alta en la región de UV. Esto corresponde aproximadamente al espectro normaliza~o "AM1.5d Jow aod", que contiene aproximadamente 2,2 % de UV-A. En la anteridr estimación se tomó en consideración solamente la parte de UV a partir de 300 nm, puesto que se supuso un blindaje del sistema óptico primario por medio de una lul)a de vidrio que absorbe por debajo de 300 nm. La carga no dura entonces, sin embargp 15 horas, como el ensayo para sistemas ópticos de litografía, sino que se exigen uno& períodos de tiempos de servicio que típicamente son por lo menos de 20 años.
Para la resolución del problema planteado por esta misión, el invento prevé ún· dispositivo fotovoltaico con
por Jo menos una celda solar y
un sistema óptico de concentrador, comprendiendo el sistema óptico de concentrador
por lo menos un primer elemento óptico enfocador, situado en el lado de entrada de la luz, y

por lo menos un segundo elemento óptico, conectado detrás del primer elemento óptico situado en el lado de entrada de la luz y conectado delante de la celda solar, sobre el cual incide en la posición de funcionamiento del dispositivo fotovoltaico
la radiación solar agrupada en haz mediante el primer elemento óptico,
comprendiendo el segundo elemento óptico por lo menos un vidrio estabilizado en
cuanto a la solarización, o respectivamente pobre en solarización, preferiblemente un
vidrio de silicato estabilizado en cuanto a la solarización, o respectivamente pobre en
5
solarización. Como un vidrio estabilizado en cuanto a la solarización se designa en tal
caso en el sentido del invento en particular a un vidrio que, independientemente de la
potencia de UV irradiada, muestra una saturación del efecto de solarización,
realizándose que la transmisión, en el caso de una solarización saturada en
comparación con un vidrio no irradiado, disminuye en a lo sumo 0,03 promediada a lo
1 O
largo de la región de longitudes de onda situada entre 300 y 400 nanómetros.
De manera alternativa o adicional, el vidrio se puede emplear también para el
primer elemento óptico enfocador situado en el lado de entrada de luz.
Se ha mostrado que determinados vidrios de silicato cumplen los requisitos de
tener una pequeña tendencia a la solarización, comprobándose en particular también
15
que el efecto de solarización pasa rápidamente a un nivel en saturación, en el cual $e
efectúa solamente un muy pequeño aumento de la absorción en comparación con un
vidrio no irradiado.
Se ha mostrado que una adición de un óxido de titanio al vidrio de silicato en
una proporción de por lo menos 0,005 por ciento en peso sobre la base de los óxidos
20
conduce a unos vidrios especialmente pobres en solarización.
De acuerdo con un aspecto adicional del invento, está previsto por lo tanto un
dispositivo fotovoltaico con
por lo menos una celda solar y
un sistema óptico de concentrador,
25
comprendiendo el sistema óptico de concentrador
por lo menos un elemento óptico a base de un vidrio de silicato, conteniendo el
vidrio de silicato un óxido de titanio en una proporción de por lo menos 0,005 por
ciento en peso sobre la base de los óxidos. Aun cuando se prefiere la aplicación para
un segundo elemento del sistema óptico, que está conectado detrás de un primer
30
elemento enfocador, el vidrio puede utilizarse de una manera enteramente general
para un elemento concentrador arbitrario de un dispositivo fotovoltaico.
Una clase de vidrios, que se distinguen por una pequeña solarización, que
pasa rápidamente a la saturación, es la de los vidrios de borosilicatos con los
siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos:
Si02 65 -85, de manera preferida 66 -84, de manera especialmente preferida de 67
a 83, de manera más preferida de 67-82 por ciento en peso,
B203 7 -15, de manera preferida 8 -14 por ciento en peso, de manera
especialmente preferida 9-14.
5
AI203 O-1O, de manera preferida O -9, de manera especialmente preferida de O a 8
por ciento en peso
Na20 2 -13 por ciento en peso, de manera preferida de 2 a 12 por ciento en peso, de
manera especialmente preferida de 2 a 11 por ciento en peso,
K20 O -11 en peso, de manera preferida O a 1 O por ciento en peso, de manera
1 O
especialmente preferida de O a 9 por ciento en peso,
Cs20 O-11 por ciento en peso, de manera preferida hasta 1 Opor ciento en peso, de'
manera especialmente preferida hasta 9 por ciento en peso,
MgO O-0,5, de manera preferida O-0,3 por ciento en peso,
CaO O-3, de manera preferida O -2 por ciento en peso,
15
SrO O-0,5, de manera preferida O -0,3 por ciento en peso,
BaO O -6, de manera preferida O -5, de manera especialmente preferida O -4 por
ciento en peso,
Ti02 0,005 -1,5, de manera preferida 0,005 -1, de manera especialmente preferid:a
de 0,005 a 0,5, de manera más preferida 0,005-0,03 por ciento en peso,
20
Zr02 O-0,5, de manera preferida O -0,3 por ciento en peso,
Ce02 O -3, de manera preferida O -2 por ciento en peso,
F O-0,6, de manera preferida O-0,5, de manera especialmente preferida O-0.~
por ciento en peso.
En comparación con los vidrios que se describen en el documento de patente
25
alemana DE 100 05 088 C1, los vidrios de borosilicatos con la composición precedent~
se distinguen por unos contenidos más bajos de Ab03 y CaO.
Este vidrio puede contener uno o varios de los siguientes agentes de
afinamiento en tanto por ciento sobre la base de los óxidos, sin empeorar
apreciablemente la tendencia a la solarización:
30
NaCI O-2, de manera preferida O-1, de manera especialmente preferida O-0,5 por
ciento en peso,
As20 3 O-0,03, de manera preferida O-0,02 por ciento en peso,
Sb20 3 O-1, de manera preferida O-0,5 por ciento en peso.
El óxido de arsénico conduce ciertamente por lo general a una mayor
solarización, pero una adición, que llega hasta el límite arriba indicado, de 0,02 por
ciento en peso, se ha manifestado como no desventajosa.
Una solarización puede ser causada, entre otras cosas, por una oxidación o
5
reducción fotoinducida de componentes polivalentes. De acuerdo con un
perfeccionamiento preferido del invento, por lo tanto, el vidrio del segundo componente
óptico está libre, o por lo menos ampliamente libre, de componentes polivalentes.
Como componentes polivalentes perjudiciales se han de mencionar p.ej. los óxidos de
hierro, cobalto, cromo, cobre y manganeso. Por lo tanto, en un perfeccionamiento del
1O
invento, el óxido de hierro, el óxido de cobalto, el óxido de cromo, el óxido de cobre v
el óxido de manganeso están contenidos en el vidrio en cada caso en menos que 4'
ppm (partes por millón), de manera preferida en menos que 3 ppm, de mane!"!!
especialmente preferida en menos que 2 ppm.
De acuerdo con todavía un perfeccionamiento adicional del invento, el vidrio dQ
15
silicato estabilizado en cuanto a la solarización puede contener adicionalmente los
siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos:
Li20 O -2 por ciento en peso,
PbO O -2 por ciento en peso,
Sn02 O -1 por ciento en peso,
20
wo3 o-0,5 por ciento en peso,
Bi203 O-0,5 por ciento en peso.
Otra composición de vidrio, que cumple los requisitos establecidos para ~:~n
sistema óptico de concentrador en lo que se refiere a una alta estabilidad en cuanto c.
la solarización, incluso con una intensidad de radiación extremadamente alta, contiene
25
los siguientes componentes en tantos por cientos en peso sobre la base de los óxidos:.
Si02 31 -55, de manera preferida 32-54, de manera especialmente preferida 33 -
53 por ciento en peso,
PbO 15 -65, de manera preferida 16 -64, de manera especialmente preferida 17 -
63, de manera más preferida 18 -62 por ciento en peso,
30
Al20 3 O-8, de manera preferida O-7, de manera especialmente preferida O -6 por
ciento en peso,
Na20 O, 1 -9, de manera preferida O, 1 -8, de manera especialmente preferida O, 1 -
7,5 por ciento en peso,
K20 1 -13, de manera preferida 1 -12, de manera especialmente preferida 1 ,5 -11
35
por ciento en peso,
BaO O-17, de manera preferida O-16, de manera especialmente preferida O-15
por ciento en peso,
ZnO O-11, de manera preferida O -1O, de manera especialmente preferida O-9 por
ciento en peso,
5
así como eventualmente agentes de afinamiento, por ejemplo
As203 O-0,02 por ciento en peso, y/o
Sb203 O -1 por ciento en peso.
Con este vidrio de plomo y silicato se pueden conseguir unos altos índices de
refracción, lo cual, dependiendo de la forma de realización del respectivo elemento
1O
óptico, puede constituir una gran ventaja. Aun cuando el óxido de plomo puede
presentarse en varias etapas de oxidación, un vidrio con la composición precedente,
también bajo la alta potencia de radiación que se presenta en un sistema óptico de
concentrador, muestra una solarización solamente muy baja, que pasa rápidamente a
la saturación.
15
Todavía otro tipo de vidrio, que presenta una muy pequeña tendencia a la
solarización, contiene los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre
la base de los óxidos:
Si02 65-75, de manera preferida 66-74, de manera especialmente preferida 67 -
72 por ciento en peso,
20
B203 O -3, de manera preferida O -2 por ciento en peso,
AI203 O-7, de manera preferida O-6, de manera especialmente preferida O-5 por
ciento en peso,
Na20 5-16, de manera preferida 6-15, de manera especialmente preferida 7-14,5
por ciento en peso,
25
K20 0,5 -12, de manera preferida 0,5 -11, de manera especialmente preferida 0,5 -
1Opor ciento en peso,
MgO O-7, de manera preferida O-6, de manera especialmente preferida O-5 por
ciento en peso,
Ca O 2 -1O, de manera preferida 2 -9, de manera especialmente preferida 3 -8 por
30
ciento en peso,
BaO 0,5 -7, de manera preferida 0,5 -6, de manera especialmente preferida 0,5 -5
por ciento en peso,
ZnO 0,5-7, de manera preferida 0,5-6, de manera especialmente preferida 0,5-5
por ciento en peso,
35
Ti02 O-1, de manera preferida O-0,5 por ciento en peso,

NaCI O-2 por ciento en peso, As203 O-0,02 por ciento en peso, Sb203 O -1 por ciento en peso. De acuerdo con una forma preferida de realización del invento, está previsto 5 como segundo elemento óptico un conductor de luz que conduce hacia el lado de salida de la luz a la luz que ha sido agrupada en haz por el primer elemento óptico por un lado de entrada de la luz del conductor de luz. La celda solar está dispuesta en tal caso a lo largo de la trayectoria óptica, de manera preferible directamente sobre el lado de salida de la luz. Eventualmente, puede existir sin embargo también una cierta 1 O distancia entre la celda solar y el lado de salida de la luz, pudiéndose concebir también el intercalamiento de uno o varios elementos ópticos adicionales. Sin embargo, es favorable prever un acoplamiento directo de la celda solar con la superficie de salida de la luz del conductor de luz, con el fin de disminuir las pérdidas por reflexión junto a la superficie de salida de la luz. 15 El conductor de luz sirve para hacer más uniforme la distribución lateral de ~a intensidad de la luz agrupada en haz por el primer elemento enfocador, de manera tal que la celda solar es iluminada lo más uniformemente que sea posible a lo largo de su superficie. Como ejemplo se han de mencionar una superficie cáustica que resulta ~n el caso de un dispositivo no orientado exactamente hacia el sol, o un foco, que es; 20 menor que el área de superficie de la celda solar. En ambos casos, la intensidad de ta luz a lo largo de la celda solar puede variar entonces rápidamente en uno o varios órdenes de magnitud. La intensidad de la luz, aumentada localmente, acorta Fa duración de vida útil de la celda solar. Además, el rendimiento disminuye en el caso CJe una iluminación irregular, cuando algunas zonas de la celda solar trabajan en 25 saturación y otras zonas no son iluminadas o apenas lo son. De modo correspondiente, como conductor de luz, tal como ya se ha dicho arriba, se prefiere un conductor de luz que no reproduce. Con el fin de conseguir una homogeneización de la distribución de la luz, especialmente un conductor de luz en forma de una barra con una sección transversal 30 poligonal, preferiblemente con unas superficies laterales rectas en una dirección transversal a la dirección longitudinal. La barra puede estar conformada cónicamente eventualmente también para la concentración adicional de la luz y para la debilitación de los requisitos establecidos en cuanto a la orientación hacia el sol, realizándose que la superficie frontal que tiene la menor área de superficie de sección transversal forma 35 la superficie de salida de la luz. De acuerdo con otro perfeccionamiento del invento, el
conductor de luz está estructurado como una plancha, formando dos superficies de
aristas enfrentadas las superficies de entrada y salida de la luz. Esto es conveniente
cuando se emplean unos primeros elementos ópticos enfocadores alargados, tales
como por ejemplo lentes cilíndricas, o respectivamente unas lentes de Fresnel que
5
actúan como lentes cilíndricas o unos reflectores que enfocan cilíndricamente.
También, la plancha puede tener un espesor variable, de manera tal que se estreche
desde la superficie de entrada de la luz hacia la superficie de salida de la luz. Son
posibles también otros elementos y otras formas geométricas del concentrador tales
como por ejemplo un reflector parabólico compuesto como concentrador o como
1 O
segundo elemento óptico.
Los vértices en vinculación con superficies laterales rectas conducen a que IQs
rayos de luz no sean reflejados enfocando junto a las superficies laterales. Por
consiguiente, se evitan unas reproducciones directas o distorsionadas de la
distribución espacial en el lado de entrada de radiaciones por el lado de salida de ta
15
luz también ya en el caso de unas cortas longitudes del conductor de luz. Para la
homogeneización de la luz tiene una cierta importancia el número medio de las
reflexiones y por consiguiente también la longitud del conductor de luz. Se prefiere ~~
tal caso hacer al conductor de luz por lo menos 1,5 veces, de manera preferida por lo
menos 2,5 veces más largo que la dimensión lateral más pequeña de la sección
20
transversal de la superficie de salida de la luz, que es decisiva para el número de las
reflexiones.
Con el fin de mantener lo más bajos que sean posibles los costos se.
producción para el sistema óptico de concentrador, es favorable además conforma~
mediante prensado al elemento de vidrio con el vidrio estabilizado en cuanto a lct
25
solarización. Por consiguiente, en este perfeccionamiento del invento, el elemento
óptico con el vidrio, en particular el segundo elemento óptico, conectado detrás del
primer elemento óptico enfocador, está estructurado como una pieza prensada de
vidrio.
Un efecto especialmente ventajoso, que es observado en los vidrios conformes
30
al invento, es también la curación por lo menos parcial de la solarización, que por lo
demás es solo pequeña, mediante un temple del vidrio. En tal caso eran suficientes ya
unas temperaturas de 200°C, con el fin de hacer de nuevo retroceder el
empeoramiento de la transmisión debido a una solarización. Se parte del hecho de
que también unas temperaturas a partir de 100°C son suficientes con el fin de realizar
35
una relajación de la solarización. De acuerdo con todavía un perfeccionamiento del
invento, por lo tanto, puede estar prevista una disposición de calentamiento para
calentar el vidrio hasta por lo menos 100°C. Este calentamiento puede conseguirse de
una manera especialmente sencilla también mediante la propia radiación solar
incidente, pudiéndose ajustar entonces en este caso el dispositivo de tal manera que
5
la aportación de calor al elemento de vidrio también sea suficientemente grande en
comparación con la evacuación de calor, con el fin de conseguir una temperatura de
por lo menos 1 00°C, de manera preferida de por lo menos 150°C.
En términos generales, el invento es apropiado para celdas solares muy
valiosas y especialmente efectivas, con el fin de poder aprovechar plenamente las
1 O
ventajas del sistema óptico de concentrador. Por consiguiente, son especialmentP.
apropiadas unas celdas solares triples, o respectivamente celdas solares de trio1e
unión. También se pueden utilizar sin embargo otras celdas solares, tales como por
ejemplo elementos generalmente monocristalinos.
El vidrio puede estar además también revestido, con el fin de poner a
15
disposición por ejemplo una eliminación de reflejos y/o una protección contra los
arañazos, con el fin de aumentar a largo plazo de esta manera la transmisión.
Los vidrios de acuerdo con el invento se distinguen por una densidad muy baja
de centros de defectos activables por radiación de UV. Se encontró que se pued~
evitar una fuerte solarización en las condiciones, que son relevantes para éJ
20
rendimiento en el caso de la aplicación para celdas solares, cuando la densidad d~
defectos, inducible por luz UV, en el vidrio de silicato es menor que 3 x 1016 cm· 3 .
El invento es explicado con mayor detalle a continuación con ayuda de
Ejemplos de realización y haciendo referencia a las Figuras adjuntas. En este caso, loe;
mismos signos de referencia se remiten a elementos iguales o correspondientes.
25
Muestran:
la Fig. 1 un dispositivo fotovoltaico,
la Fig. 2 una vista en alzado del conductor de luz de la disposición
representada en la Fig. 1 ,
la Fig. 3 una variante del dispositivo mostrado en la Fig. 1 con un reflector
30
que enfoca cilíndricamente,
la Fig. 4 las evoluciones del grado de transmisión espectral de dos vidrios
antes y después de una irradiación con luz UV, y
la Fig. 5 los tiempos determinados de relajación de la solarización de un
vidrio que es apropiado para el invento.
La Fig. 1 muestra un dispositivo fotovoltaico designado como un conjunto con el signo de referencia 1. El dispositivo fotovoltaico 1 comprende por lo menos una celda solar 7, por ejemplo en forma de una celda solar de unión triple muy efectiva y un sistema óptico de concentrador. El sistema óptico de concentrador, a su vez, comprende dos elementos. En especial, están previstos por lo menos un primer elemento óptico enfocador 3 situado en el lado de entrada de la luz y un segundo elemento óptico 5 conectado detrás del primer elemento óptico 3 situado en el lado de entrada de la luz y conectado delante de la celda solar 7. En una posición de funcionamiento del dispositivo fotovoltaico, es decir orientado hacia la dirección de incidencia de la luz del sol, Ja radiación solar incide a través del primer elemento 3 de una manera agrupada en ház sobre el segundo elemento óptico. Para la explicación de la trayectoria de los rayos s~ representan dos rayos de luz 1 O de la luz solar incidente.
En el caso del Ejemplo mostrado en la Fig. 1, el primer elemento óptico es una lente de Fresnel. El segundo elemento óptico está estructurado como un corto conductor de luz con una superficie 51 de entrada de la luz y con una superficie 52 de salida de la luz. En este caso, el conductor de luz es por lo menos 1,5 veces, ere manera preferida por lo menos 2,5 veces, más largo que la más pequeña dimensión lateral de la sección transversal de la superficie 52 de salida de la luz.
El conductor de luz se fabrica a partir de un vidrio de silicato como piezE} prensada. El vidrio está estabilizado en cuanto a la solarización, mostrando el silicato, de una manera independiente de la potencia de luz UV irradiada, una saturación deL efecto de solarización. En tal contexto, la transmisión, en el caso de una solarización saturada, disminuye, en comparación con la de un vidrio no irradiado, en a lo sumo 0,03 de manera promediada a lo largo de la región de longitudes de onda entre 300 y 400 nanómetros.
El conductor de luz está estructurado con forma ligeramente cónica y se estrecha desde la superficie 51 de entrada de la luz hasta la superficie de salida de la luz. Una vista en alzado del conductor de luz se representa en la Fig. 2. Tal como se puede reconocer con ayuda de esta Fig. 2, el conductor de luz no solamente está conformado de manera ligeramente cónica sino que tiene también una sección transversal poligonal. Por ejemplo, la superficie 51 de entrada de la luz y la superficie 52 de salida de la luz pueden tener en cada caso una sección transversal cuadrada.

A diferencia de lo que se representa en la Fig. 2, el conductor de luz puede estrecharse en otra forma distinta de la cónica hacia la superficie 52 de salida de la
luz. En cualquier caso, las superficies laterales son rectas en una dirección perpendicular a la dirección longitudinal. De esta manera se evitan los efectos de enfoque al producirse la reflexión junto a las paredes laterales, que pueden contribuir a la formación de heterogeneidades de la distribución lateral de la luz en el lado de salida de la luz.
Un ejemplo de un dispositivo fotovoltaico con un primer elemento óptico 3, que enfoca cilíndricamente, se representa en la Fig. 3. A modo de ejemplo, en el caso de esta disposición el primer elemento óptico está estructurado como un reflector que enfoca cilíndricamente. Por el concepto de "que enfoca cilíndricamente" no se entiende en general, sin limitación al Ejemplo de realización de la Fig. 3, que la superficie del receptor es cilíndrica, sino más bien que el enfoque se efectúa a modo de una lente cilíndrica en solamente una dirección. Así, también en el Ejemplo mostrado en la Fig. ~ la superficie del reflector 31 está curvada parabólicamente.
También en este Ejemplo el segundo elemento óptico 5 está estructurado como un conductor de luz, que en este caso tiene ahora una forma de plancha, realizándo:se que las superficies de entrada y de salida de la luz forman las aristas opuestas de la plancha y la plancha se estrecha en dirección a la superficie 52 de salida de la h.tz, sobre la cual está dispuesta una celda solar de forma estriada 7, mediante el recursu de que disminuye el espesor de la plancha.
La Fig. 4 muestra como explicación unos diagramas de la transmisión espectral como una función de la longitud de onda para dos vidrios, en cada caso antes de una irradiación intensa de luz UV y después de ella, por lo tanto en estado solarizado.
Un vidrio preferido para el segundo elemento óptico contiene los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos:
Si02
65 -85 por ciento en peso,
8203
7 -15 por ciento en peso,
AI203
O -1Opor ciento en peso,
Na20
2 -13 por ciento en peso,
K20
O -11 por ciento en peso,
Cs20
O -11 por ciento en peso,
MgO
O-0,5 por ciento en peso,
Ca O
O -3 por ciento en peso,
S rO
O -0,5 por ciento en peso,
BaO
O -6 por ciento en peso,
Ti02
0,005-1,5 por ciento en peso,
Zr02 O-0,5 por ciento en peso, Ce02 O -3 por ciento en peso,
F O-0,6 por ciento en peso.
En este contexto se ha mostrado, de modo sorprendente, que en el caso de este vidrio que se ha de contar entre los vidrios corona de borosilicatos, precisamente la proporción de titanio de este vidrio de borosilicato contribuye a que la solarización pase rápidamente a la saturación, de manera tal que se conserva una alta transmisión también junto a la arista de UV del material. Es posible emplear también unos contenidos algo menores del óxido de titanio. Preferiblemente, el contenido del óxido de titanio es sin embargo por lo menos de 0,005 por ciento en peso sobre la base de los óxidos. Las curvas 40 y 41 en la Fig. 2 muestran las evoluciones de la transmisi6.n espectral de uno de tales vidrios. En tal caso la curva 40 es la evolución de loa transmisión espectral antes de la irradiación con una lámpara de UV y la curva 41 es la evolución de la transmisión espectral después de la irradiación, por lo tanto la evolución del vidrio solarizado.
Como comparación, se muestran las transmisiones espectrales de un vidrio que tiene una composición comparable antes de la irradiación (curva 42) y después de ella (curva 43). El vidrio, en el que se midieron estas curvas, no tiene ningu,~ proporción medible del óxido de titanio. La comparación entre las curvas 40 y 42 muestra que el vidrio exento de titanio tiene de por sí incluso una transmisión más alta en la región de UV. No obstante, se muestra que la transmisión en la región de UV en el caso del vidrio exento de titanio después de la irradiación (curva 43) retrocede, considerablemente, extendiéndose las mermas de transmisión hasta ampliamente· dentro de la región visible.
En comparación con esto, la transmisión, en el caso del vidrio conforme al invento irradiado, apenas es influida por la radiación de UV. En la región de longitudes de onda entre 300 y 400 nanómetros, el retroceso de la transmisión que se encuentra absolutamente en un valor manifiestamente más pequeño que 0,05. Se midió junto a la arista de UV en especial un valor de la disminución de la transmisión de aproximadamente 1 ,4 %. Promediado a lo largo de esta región de longitudes de onda, el retroceso es manifiestamente más pequeño que 0,03. En comparación con esto, la disminución de la transmisión del vidrio comparativo es hasta de aproximadamente 0,2 (a 320 nanómetros).

La transmisión del vidrio conforme al invento permanece también en el nivel alcanzado, independientemente de la potencia o de la duración de la radiación de UV
irradiada. Esta estabilización de la solarización garantiza una especial idoneidad del
vidrio para su empleo como sistema óptico secundario en un concentrador, puesto que
está garantizado que el efecto de solarización (la solarización remanente) no esté
escalonado con la potencia de luz ofrecida, sino que la transmisión permanezca en
5
saturación a un alto nivel de transmisión, independientemente de la potencia de UV
ofrecida.
El hecho de que, tal como se observa en los vidrios conformes al invento, se
llegue a una rápida saturación de la solarización, puede tener por un lado su causa en
el hecho de que por lo general es posible solamente una pequeña densidad de centros
1 O
de defectos y por otro lado está pronunciada de una manera especialmente fuerte la
relajación térmica de los centros de defectos. En el caso de los vidrios conformes ql
invento se parte del hecho de que es decisiva una pequeña concentración posiblt:!
como máximo de los centros de defectos.
Este efecto de la rápida saturación de la solarización, tal como se había
15
observado en el caso de elementos ópticos para el dispositivo conforme al invento, se
explica seguidamente con mayor detalle con ayuda de un modelo.
La solarización alcanzada puede ser establecida en general como una
ecuación de velocidades de producción y de destrucción de defectos inducidas por luz.
UV con el tiempo. La velocidad de producción E puede ser en tal caso proporcional 21
20
la diferencia entre la densidad, posible como máximo, de defectos inducidos por luz
UV, nmax, y estableciéndose como n la densidad actual real de estos defectos:
E =YProducción X (nmax-n)
25
En este caso YProducción es una constante, que es inversamente proporcional a la
constante de tiempo de la constitución del efecto de solarización. Ella depende de la
intensidad de UV.
La velocidad de destrucción V es establecida como proporcional a la densidad
actual real de los defectos inducidos por luz UV:
30
V = Yoestrucción X n
La constante Yoestrucción es inversamente proporcional a la constante de tiempo de la
degradación del efecto de solarización. Se ha mostrado que esta constante depende
35
por lo general de la temperatura.
En el equilibrio, ambas velocidades son iguales y se realiza que:
n =nmax X YProducción 1 (YProducción +. YDestrucción)
Esto quiere decir sin embargo que n, independientemente de la intensidad de luz UV, adopta el valor nmax. cuando YProducción >>. YDestrucción· La inversa de la velocidad en el período de tiempo característico para el respectivo proceso. Se comprobó que el período de tiempo característico para la destrucción (curación) de los defectos causados por una solarización a la temperatura ambiente, está situado por encima de las 6 horas.
Las mediciones de la solarización con la lámpara HOK-4 han mostrado que 14a después de por debajo una hora y no tan solo después de 15 horas se alcanza un valor constante, es decir que la constante de tiempo de la constitución del
efecto de solarización está situada por debajo de una hora ya en el caso del ensayo con la lámpara HOK-4. Esto debe servir entonces tanto más en el caso de las intensidades de UV, tales como ellas aparecen en una instalación fotovoltaica de concentrador. Por consiguiente, la velocidad de producción es siempre esencialmente más alta que la velocidad de destrucción y el valor de saturación de la concentración de centros de defectos corresponde en lO esencial al valor posible como máximo, nmax· El vidrio conforme al invento muestra después de una irradiación con une!
lámpara HOK-4 una disminución muy pequeña de la transmisión. Ésta, según lo que se ha dicho, no se empeora mediante una irradiación adicional o más intensa. Apareca una saturación del efecto de solarización a un bajo nivel.
Por lo tanto, se parte del hecho de que en el caso de los vidrios conformes al invento se puede formar solamente una pequeña densidad máxima de centros de defectos nmax. y esta concentración se alcanza de una manera comparativamente rápida. Éstas no son ningunas propiedades evidentes de los vidrios, puesto que un efecto de solarización es constituido típicamente con lentitud y los valores de saturación se alcanzan a un nivel manifiestamente más alto.

Los períodos de tiempo de relajación, medidos en vidrios conformes al invento, se encuentran, extrapolados a la temperatura ambiente, en por encima de 6 horas. A 200°C, los períodos de tiempo de relajación están situados en por debajo de tres horas. La Fig. 5 muestra para esto los períodos de tiempo de relajación determinados del vidrio arriba mencionado, en dependencia de la temperatura.
La determinación de los períodos de tiempo de relajación se llevó a cabo de la
siguiente manera:
Del vidrio conforme al invento se prepararon unas muestras circulares con un diámetro
de 18 mm y un espesor de aproximadamente 1 mm.
5
Las investigaciones se llevaron a cabo con los espectrómetros de transmisión
de los tipos Lambda 900 y Lambda 950. En este caso, para la determinación de la
solarización se registró un espectro completo de 250-850 nm.
Para la determinación del período de tiempo de extinción, las muestras
irradiadas se colocaron dentro de una cubeta de calentamiento y se determinó la
1 O
evolución cronológica de la transmisión para la longitud de onda de 345 nm.
La curación se investigó entonces en el caso de una longitud de onda de 345
nm, puesto que aquí también, de modo correspondiente a la Fig. 4, se observó la
modificación máxima. La modificación cronológica de la solarización inducida (= el
aumento de la transmisión) fue dibujada. Para la adaptación a los valores de mediciQn
15
se escogió una función exponencial.
(1) A= Ao ·exp[-tltrelax]
La curación de la absorción inducida por luz UV es descrita por el factQr
20
exponencial en la ecuación (1) con el período de tiempo de relajación trelax que es
típico para este material. Este período de tiempo de relajación es a su vez, como se ha
dicho, dependiente de la temperatura y puede ser descrito por la relación
(2) trelax =to · exp[ +Ht/RT]
25
to y Ht son en este caso unas constantes típicas del material, R designa la constate de
los gases y T la temperatura absoluta en °K.
En la Fig. 5 se indican los períodos de tiempo de relajación determinados. La
curva trazada es la función exponencial establecida por los tres períodos de tiempo de
30
relajación de acuerdo la ecuación (2).
A partir de la adaptación se determinaron los siguientes valores de los
parámetros de la ecuación (1 ):
to
Ht/R
[h]
[o K]
0,33±0,05
1.012,6±1 0,2
Como característicos para unos vidrios apropiados conforme al invento se
pueden considerar los períodos de tiempo de relajación, determinados con ayuda de la
ecuación (2) a las diferentes temperaturas, tal como se representan en la Fig. 5. A la
temperatura ambiente los períodos de tiempo de relajación están situados por encima
5
de 6 horas y por consiguiente manifiestamente por encima de los períodos de tiempo,
que se necesitan para la generación de una solarización hasta el límite de saturación.
En el caso de unas temperaturas comprendidas entre 200°C y 400°C, aquí el período
de tiempo de relajación está situado en menos que 3 horas. Por consiguiente, de
acuerdo con una forma de realización del invento, sin ninguna limitación a los ejemplos
1O
de realización, está previsto un dispositivo fotovoltaico con lo menos una celda solar; v
con un sistema óptico de concentrador, abarcando el sistema óptico de concentradOf
un elemento de vidrio, cuyo vidrio presenta un período de tiempo de relajación ('trelax)
de la solarización de menos que 3 horas a una temperatura situada en un intervalo de
200°C a 400°C. El período de tiempo de relajación 'trelax puede ser determinado en tal
15
caso por medición de la evolución cronológica de la transmisión a 345 nanómetros
mediando almacenamiento a una temperatura en la región mencionada después de
una exposición a la luz UV hasta la saturación de la solarización y adaptación a una
curva de acuerdo con las ecuaciones (1) hasta (3). De manera preferida, uno de tales
vidrios se emplea a su vez en un sistema óptico de concentrador de dos piezas como
20
segundo elemento óptico, sobre el cual la radiación solar es dirigida de manera-
agrupada en haz mediante el primer elemento óptico.
Se ha mostrado que los vidrios conformes al invento tienen generalmente una
baja densidad de defectos inducibles por irradiación con luz UV. Esta densidad de
defectos es, incluso en el estado saturado de la solarización, por lo general menor que
25
3 x 1018 cm·3 .
Con ayuda del vidrio con las evoluciones 40 y 41 de la transmisión en la Fig. 2
la concentración de defectos se puede estimar de la siguiente manera.
Los iones de Ti4 + en el vidrio procuran un bloqueo efectivo de la luz UV. El
punto de corte (cut-off) de la transmisión, en el que el valor de la transmisión junto a la
30
arista de UV cae a un 50%, está situado entre las longitudes de onda 315 y 320 nm. A
partir de la comparación entre las curvas 40 y 41 en la Fig. 4 se establece una
reducción de la transmisión a 345 nm situada en torno a 1 ,4 %.
Para los coeficientes de absorción espectral A se realiza que
En esta relación designan d el espesor del vidrio, T la transmisión medida y P
el valor máximo posible de la transmisión. Para el valor de P se supone ninguna
5
absorción en el vidrio. Más bien, resultan pérdidas de la transmisión solamente
mediante pérdidas de Fresnel, es decir por reflexión junto a las superficies límites.
A una longitud de onda de 345 nm el coeficiente de absorción es de
aproximadamente 6,0 X 1 o·3 mm·1 .
Después de una irradiación con luz UV en el estado de una solarización saturada, estf
1 O
valor se eleva a aproximadamente 8,6 X 10·3 mm·1 . Este aumento de la absorción et
2,6 X 1 o·3 mm·1 es causado por los defectos inducidos por luz UV. Por consiguiente
acerca de la relación
A
n=-
cr
15
con una sección transversal típica del efecto de absorción cr para los centros de
defectos en la región de 1o-18 mm2 se establece una densidad de defectos inducidos
por luz UV de
Es observable para un experto en la especialidad que el invento no está
limitado a los Ejemplos de realización precedentemente descritos, sino que más bien
se puede hacer variar de diversas maneras en el marco de las siguientes
25
reivindicaciones y de su combinación. Así, por ejemplo, se pueden combinar también
varios vidrios de los aquí descritos. Si se emplea por ejemplo un conductor de luz
como elemento óptico secundario, tal como el que se ha representado a modo de
ejemplo en las Figs. 1 y 3, se pueden combinar por ejemplo dos diferentes vidrios con
distinto índice de refracción, estando estructurado el conductor de luz como un
30
conductor de luz de núcleo y envoltura.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo fotovoltaico (1) con
    por lo menos una celda solar (7) y
    5
    un sistema óptico de concentrador,
    comprendiendo el sistema óptico de concentrador
    por lo menos un primer elemento óptico (3) enfocador, situado en el lado de
    entrada de la luz, y
    por lo menos un segundo elemento óptico (5) conectado detrás del primer
    1O
    elemento óptico situado en el lado de entrada de la luz y conectado delante de la ceiC:ta
    solar (7), sobre el cual en la posición de funcionamiento del dispositivo fotovoltaico (1)
    la radiación solar incide de una manera agrupada en haz por el primer elemento óptico
    (3), comprendiendo el segundo elemento óptico (5) un vidrio de silicato estabilizado en
    cuanto a la solarización.
    15
    2. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente,
    mostrando el vidrio de silicato, independientemente de la potencia de UV irradiada,-
    una saturación del efecto de solarización, disminuyendo la transmisión en el caso de
    una solarización saturada, en comparación con un vidrio no irradiado, en a lo sun1Q
    0,03 promediada a lo largo de la región de longitudes de onda entre 300 y 400
    20
    nanómetros.
  2. 3. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones.
    precedentes, caracterizado porque el vidrio de silicato contiene un óxido de titanio e;n
    una proporción de por lo menos 0,005 por ciento en peso sobre la base de los óxidos.
  3. 4. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente,
    25
    caracterizado porque el vidrio de silicato estabilizado en cuanto a la solarización, es un
    vidrio de borosilicato, con los siguientes componentes en tantos por ciento en peso
    sobre la base de los óxidos:
    Si02 65 -85 por ciento en peso,
    8203 7 -15 por ciento en peso,
    30
    AI203 O -1 O por ciento en peso,
    Na20 2 -13 por ciento en peso,
    K20 O -11 por ciento en peso,
    Cs20 O -11 por ciento en peso,
    MgO O -0,5 por ciento en peso,
    35
    Ca O O-3 por ciento en peso,
    S rO O-0,5 por ciento en peso, BaO O-6 por ciento en peso, Ti02 0,005-1,5 por ciento en peso, Zr02 O-0,5 por ciento en peso,
    5 Ce02 O-3 por ciento en peso, F O-0,6 por ciento en peso.
  4. 5. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque el vidrio contiene los siguientes agentes de afinamiento en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos:
    1O NaCI O -2 por ciento en peso, As203 O-0,02 por ciento en peso, Sb203 O -1 por ciento en peso.
  5. 6. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el vidrio del segundo componente óptico está libFe
    15 o por lo menos ampliamente libre de componentes polivalentes, estando contenidos en el vidrio el óxido de hierro, el óxido de cobalto, el óxido de cromo, el óxido de cobre y el óxido de manganeso en cada caso en menos que 4 ppm, de manera preferida en menos que 3 ppm, de manera especialmente preferida en menos que <2 ppm.
  6. 7. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones
    20 precedentes, conteniendo el vidrio adicionalmente los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos: Li20 O-2 por ciento en peso, PbO O-2 por ciento en peso, Sn02 O-1 por ciento en peso,
    25 wo3 O -0,5 por ciento en peso, Bi203 O-0,5 por ciento en peso.
  7. 8. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico es un conductor de luz, que conduce a la luz agrupada en haz por el primer elemento óptico hacia un lado de
    30 entrada de la luz (51) del conductor de ·luz, hacia el lado de salida de la luz (52).
  8. 9. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque el segundo elemento óptico comprende un conductor de luz en forma de una barra con una sección transversal poligonal o de una plancha.
    1O. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las dos reivindicaciones 35 precedentes, caracterizado porque el conductor de luz es por lo menos 1,5 veces, preferiblemente por lo menos 2,5 veces, más largo que la más pequeña dimensión lateral de la sección transversal de la superficie de salida de la luz (52).
  9. 11. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico abarca un vidrio de plomo y silicato, que contiene los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos:
    Si02
    31 -55 por ciento en peso,
    PbO
    15 -65 por ciento en peso,
    AI203
    O-8 por ciento en peso,
    Na20
    O, 1 -9 por ciento en peso,
    K20
    1 -13 por ciento en peso,
    BaO
    O-17 por ciento en peso,
    ZnO
    O-11 por ciento en peso,
    así como agentes de afinamiento, preferiblemente As203 O-0,2 por ciento en peso, Sb20 3 O-1 por ciento en peso.
  10. 12.
    Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico comprende un vidriQ que contiene los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos: Si02 65 -75 por ciento en peso, B203 O-3 por ciento en peso, AI203 O-7 por ciento en peso, Na20 5 -16 por ciento en peso, K20 0,5-12 por ciento en peso, MgO O-7 por ciento en peso, CaO 2 -1 O por ciento en peso, BaO 0,5-7 por ciento en peso, ZnO 0,5-7 por ciento en peso, Ti02 O-1,5 por ciento en peso, As203 O-0,2 por ciento en peso, Sb203 O -1 por ciento en peso,
  11. 13.
    Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico está estructurado como una pieza prensada de vidrio.
  12. 14.
    Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo está establecido para calentar el vidrio de silicato a una temperatura de por lo menos 1 00°C.
  13. 15. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 precedentes, caracterizado por una celda solar triple.
  14. 16. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el vidrio de silicato presenta un período de tiempo de relajación de la solarización de menos que 3 horas a una temperatura situada en un intervalo de 200°C a 400°C.
    10 17. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la densidad de defectos inducible por luz UV en ei vidrio de silicato es menor que 3 x 1018 cm-3.
  15. 18. Utilización de un vidrio con una composición de acuerdo con una de la·~
    reivindicaciones 4, 11 o 12 para elementos concentradores de dispositivos 15 fotovoltaicos.
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