ES2893867T3 - Dispositivo fotovoltaico - Google Patents

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Abstract

Dispositivo PV -de tecnología fotovoltaica- (100) con - un grupo de multi-células PV (1) con al menos una primera célula PV (11) de un primer tipo de célula y una segunda célula PV (21) de un segundo tipo de célula, donde el primer y el segundo tipo de célula se diferencian uno de otro, y donde cada una de las células PV (11, 21), al incidir luz sobre la respectiva célula PV (11, 21), proporciona una tensión eléctrica de la célula U1, U2, caracterizado por - un sistema electrónico de potencia (30) con una primera unidad electrónica de potencia (31) separada que está asociada a la primera célula PV (11), y con una segunda unidad electrónica de potencia (32) separada que está asociada a la segunda célula PV (22), donde la tensión eléctrica de la célula U1, U2 generada en la respectiva célula PV (11, 21) y una producción de corriente I1, I2 correspondiente pueden ser suministradas a la unidad electrónica de potencia (31, 32) separada, asociada a la respectiva célula PV (11, 21), - un dispositivo de control (40) para controlar el sistema electrónico de potencia (30), donde - la primera (31) y la segunda unidad electrónica de potencia (32) pueden ser operadas de forma independiente una de otra mediante el dispositivo de control (40), de manera que cada subsistema PV (10, 20), que respectivamente presenta una de las células PV (11, 21) y la unidad electrónica de potencia (31, 32) asociada a la respectiva célula PV (11, 21), trabaja en su punto de trabajo óptimo.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo fotovoltaico
La presente invención hace referencia a un dispositivo fotovoltaico con dos o también más células solares separadas.
La generación de energía solar con los medios de la tecnología fotovoltaica (PV), por razones vinculadas con la política medioambiental y cada vez más también por motivos económicos, contribuye en un grado cada vez mayor a la producción de electricidad, por ejemplo en Europa Central. Además, esa fuente de energía renovable, sin embargo, debe ser competitiva, en particular en comparación con las fuentes de energía convencionales, por lo cual se apunta a reducir los costes de generación de energía PV por debajo de aquellos de la generación de energía convencional, en particular fósil, también en regiones con radiación solar moderadamente intensa, como por ejemplo Alemania.
Los costes de una instalación PV se determinan esencialmente debido a los costes del propio sistema, por ejemplo para el panel general, el cableado, el sistema electrónico de potencia y otros costes de construcción. Incluso cuando desde algunos años los así llamados materiales de perovskita, como por ejemplo CH3NH3PbI3 (o de forma más general (CH3NH3)MX3-xYx (en donde M=Pb o Sn, así como X,Y=I, Br o Cl)), debido a sus propiedades optoelectrónicas, permiten una transformación de alta eficiencia de energía radiante electromagnética en energía eléctrica, cobran cada vez más importancia y prometen un efecto que reduzca los costes operativos, la sola utilización de nuevas células solares de esa clase, más convenientes en cuanto a los costes, aún no es suficiente. Por el contrario, es necesario aumentar más la eficiencia de las células solares.
Un enfoque para aumentar la eficiencia consiste en la utilización de los así llamados grupos de células en tándem PV, en los que dos o incluso más células PV o capas sensibles a la luz están dispuestas unas sobre otras. Las aproximaciones de esa clase, por ejemplo en la solicitud US8569613B1, así como en la solicitud WO2010/000855A1, se plantean incluso con más de dos capas fotosensibles. En un caso ideal, las distintas células se diferencian en su sensibilidad espectral, es decir que las distintas células presentan su respectiva eficiencia máxima para rangos espectrales diferentes de la luz solar. Esto consigue que el grupo de células en tándem, en su conjunto, ofrezca una eficiencia elevada para un rango espectral más amplio.
Un grupo de células en tándem de esa clase puede presentar por ejemplo una célula PV clásica, basada en silicio, sobre la que está colocada otra célula PV, por ejemplo basada en perovskita. Los materiales basados en perovskita presentan una banda prohibida más grande que los materiales basados en silicio, por lo cual la célula PV basada en perovskita tiene una parte de absorción en el rango espectral azul, así como de onda corta, y deja pasar luz de onda más larga. La célula PV basada en silicio absorbe con mayor intensidad en el rango espectral de onda más larga, de manera que la célula de silicio absorbe la luz que ha pasado por la célula o la capa de perovskita o al menos una parte de la misma.
La figura 1 muestra una vista lateral de un grupo de células en tándem PV 1 conocido de esa clase. La fuente de luz superior, es decir la fuente de luz no representada, así como la célula 11 del grupo de células en tándem 1, orientada hacia el sol, es una célula PV de un primer material con eficiencia máxima en un primer rango espectral S1. La célula inferior 21 es una célula PV de un segundo material, con eficiencia máxima en un segundo rango espectral S2, donde los rangos espectrales S1, S2; así como también los materiales, son diferentes. En principio, los grupos de células en tándem de esa clase trabajan según el concepto de que la corriente eléctrica I generada al incidir la luz circula de forma secuencial por las dos células 11, 21, es decir que las células 11, 21 están conectadas en serie de forma eléctrica. En este caso, sin embargo, se presenta el problema de que en las dos células 11, 21 se generan corrientes de una magnitud significativamente diferente, aquella célula 11, 21; en la que se genera una corriente reducida, por la que circula la corriente de mayor magnitud de la otra célula 21, 11; lo cual puede ocasionar un daño. Además es importante que, en un caso ideal, las dos células 11, 21 proporcionen la misma corriente por superficie sensible a la luz. Sin embargo, ése no es el caso debido a la diversidad de los materiales utilizados en las distintas células 11, 21. Esto produce el efecto de que la eficiencia, así como el grado de efectividad del grupo de células en tándem PV 1, como totalidad, sea marcadamente menor que lo factible en la teoría, así como que lo esperable, debido a las eficiencias individuales.
En principio, ese problema puede solucionarse mediante una aproximación denominada como "current matching" (adaptación de corriente), de modo que las células 11, 21 individuales están diseñadas de manera que las mismas proporcionan corrientes eléctricas de la misma magnitud Para poder alcanzar esto, las áreas 12, 22 de las dos células PV 11, 21, sensibles a la luz y que generan la corriente en el caso de una iluminación correspondiente, pueden estar adaptadas una con respecto a otra, donde las áreas 12, en la primera célula 11, se componen del primer material, y las áreas 22, en la segunda célula 21, se componen del segundo material. De este modo, se parte del hecho de que la corriente eléctrica producida en un área 12, 22 es proporcional con respecto a la superficie de la respectiva área 12, 22. De manera correspondiente, las superficies, así como los números de las áreas 12, 22; tal como se indica en la figura 2, se seleccionan de modo diferente, de manera que las dos células 11, 21 finalmente proporcionen corrientes eléctricas de la misma magnitud. Los tamaños y los números de las superficies que deben seleccionarse dependen de los respectivos materiales. Sin embargo, las estructuras conformadas de forma diferente, que se sitúan unas sobre otras, en este contexto se presentan como problemáticas en cuanto a la tecnología.
La figura 2 muestra una vista en la dirección “y”, situada sobre los planos marcados en la figura 1 con líneas discontinuas, donde la representación en la figura 2 está seleccionada como si la célula 1 de la figura 1 estuviera plegada hacia fuera, de manera que las dos capas 11, 21 se sitúan ahora una junto a otra. Se ilustra que las superficies de las áreas 12 de la primera célula 11 son más grandes que las superficies de las áreas 22 de la segunda célula 21. En este caso, para una mayor claridad, sólo algunas pocas de las respectivas áreas 12, 22 están provistas de símbolos de referencia. Para cada célula PV 11, 21 aplica que las áreas 12, 22 de la respectiva célula 11, 21 están conectadas en serie a un respectivo grupo de áreas 13, 23. Además, también los dos grupos de áreas 13, 23 están conectados eléctricamente de forma secuencial, es decir, están conectados en serie.
El concepto de la adaptación de las superficies de las áreas 12, 22 sensibles a la luz, en teoría, representa una solución del problema mencionado. En la práctica, sin embargo, sucede que el grado de efectividad del grupo de células en tándem PV 1 estructurado de ese modo en promedio se mantiene por debajo del valor factible en la teoría. Esto se relaciona con el hecho de que las intensidades de la luz en la práctica no son constantes en el tiempo, sino que durante el transcurso del día están sujetas a fluctuaciones más o menos intensas, lo cual repercute en un grado diferente en las tensiones o corrientes generadas por las distintas células. De este modo, las células PV basadas en silicio (células de Si), en el caso de intensidades de la luz elevadas, es decir, por ejemplo a plena luz solar, trabajan con un grado de efectividad especialmente elevado. El grado de efectividad de las células de Si de esa clase, sin embargo, en el caso de una luz más tenue, cae por debajo del grado de efectividad de por ejemplo las células PV orgánicas, que especialmente presentan grados de efectividad comparativamente elevados en el caso de una luz difusa y tenue. Además, debe partirse del hecho de que las distintas células están sujetas a efectos de envejecimiento y evoluciones de temperatura diferentes. El enfoque representado en la figura 2, con superficies adaptadas de las áreas sensibles a la luz, por tanto, finalmente no es efectivo en cuanto al objetivo buscado.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un enfoque alternativo para una célula fotovoltaica de alta eficiencia.
Dicho objeto se soluciona mediante el dispositivo PV descrito en la reivindicación 1, así como mediante el procedimiento operativo explicado en la reivindicación 10. En las reivindicaciones dependientes se indican configuraciones ventajosas.
Un dispositivo PV según la invención presenta un grupo de multi-células PV con al menos una primera célula PV de un primer tipo de célula y una segunda célula PV de un segundo tipo de célula, donde el primer y el segundo tipo de célula se diferencian uno de otro, y donde cada una de las células PV, al incidir la luz sobre la respectiva célula PV, proporciona una tensión eléctrica de la célula U1, U2. Además, está proporcionado un sistema electrónico de potencia con una primera unidad electrónica de potencia separada que está asociada a la primera célula PV, y con una segunda unidad electrónica de potencia separada que está asociada a la segunda célula PV. La tensión eléctrica de la célula U1, U2 generada en la respectiva célula PV y una producción de corriente I1, I2 correspondiente pueden suministrarse a la unidad electrónica de potencia separada, asociada a la respectiva célula PV, por ejemplo mediante conexiones eléctricas correspondientes. Además, el dispositivo PV presenta un dispositivo de control para controlar el sistema electrónico de potencia. La primera y la segunda unidad electrónica de potencia ahora pueden ser operadas de forma independiente una de otra con la ayuda del dispositivo de control, de manera que cada subsistema PV, que respectivamente presenta una de las células PV y la unidad electrónica de potencia asociada a la respectiva célula PV, trabaja en su punto de trabajo óptimo. Expresado de otro modo, el dispositivo PV presenta al menos un primer y un segundo subsistema PV, donde el primer subsistema PV presenta la primera célula PV y la primera unidad electrónica de potencia, y el segundo subsistema PV presenta la segunda célula PV y la segunda unidad electrónica de potencia.
Para el diseño del grupo de multi-células de alta eficiencia aquí propuesto, que no pierde su eficiencia elevada tampoco en el caso de una intensidad de iluminación variable, puede prescindirse de la aproximación "current matching" (de adaptación de corriente) antes descrito. El grupo de células en tándem PV presenta dos células PV separadas de forma galvánica, que no están conectadas eléctricamente de forma directa en serie ni de cualquier otro modo. Más bien, las tensiones eléctricas generadas por las células PV del grupo de células durante la iluminación, así como en consecuencia también las corrientes correspondientes, son suministradas respectivamente a una unidad electrónica de potencia separada. Mediante la utilización de unidades electrónicas de potencial individuales para las distintas células PV se logra que cada célula PV pueda funcionar en el punto de trabajo óptimo. El dispositivo de control está diseñado para controlar la respectiva unidad electrónica de potencia durante el funcionamiento de la unidad electrónica de potencia de cada uno de los subsistemas PV, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente 11, I2 y de la tensión de la célula U1, U2, de la célula PV asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia. De este modo, aquí y a continuación naturalmente se considera que la expresión de que el producto debe ser "máximo", no supone o puede suponer forzosamente en todo momento el punto exacto en el cual el producto mencionado alcanza el máximo absoluto. Esto tampoco puede realizarse en ese sentido en cuanto al aspecto técnico, en tanto que los valores suministrados al dispositivo de control en la práctica varían continuamente dentro de cierto margen, de modo que un valor realmente máximo teóricamente en un momento T1 en el siguiente momento T2 nuevamente ya no será el valor teóricamente máximo. De manera correspondiente, la expresión supone que el respectivo producto debe ser "máximo", de manera que dentro del marco del control respectivamente se controla en gran medida que las unidades electrónicas de potencia respectivamente siempre se adapten de modo que el respectivo producto de corriente-tensión se modifique hacia el máximo momentáneo, teóricamente posible. De hecho, por tanto, se controla de manera que el producto de corriente-tensión no se reduzca, observado en un periodo determinado. Es decir que el producto deberá ser más grande o puede permanecer constante en el caso de que ya se haya alcanzado el máximo teóricamente posible. El dispositivo de control puede trabajar de manera que durante el control de la respectiva unidad electrónica de potencia, una resistencia de entrada de la respectiva unidad electrónica de potencia pueda adaptarse de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, I2 y de la tensión de la célula U1, U2, de la célula PV asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia. En particular, el dispositivo de control está diseñado para controlar las unidades electrónicas de potencia independientemente una de otra. Para ello, el dispositivo de control por ejemplo puede presentar un número de reguladores correspondiente al número de los subsistemas PV. Esos reguladores por ejemplo pueden estar diseñados como los así llamados reguladores PID.
De manera alternativa o adicional, el dispositivo PV presenta un dispositivo sensor con un dispositivo para determinar las temperaturas de las células PV y/o para determinar la temperatura del entorno del grupo de multicélulas PV, donde uno o varios parámetros que describen las temperaturas y/o la temperatura del entorno se suministran al dispositivo de control como variable de entrada. De manera adicional o alternativa, el dispositivo sensor puede presentar un dispositivo para determinar una intensidad de la luz que incide sobre el dispositivo PV, en particular sobre la primera célula PV, donde un parámetro que describe la intensidad de la luz se suministra al dispositivo de control, como variable de entrada. Igualmente, de manera adicional o alternativa, el dispositivo sensor puede presentar un dispositivo para determinar un espectro de una luz que incide sobre el dispositivo PV, en particular sobre la primera célula PV, donde un parámetro que describe el espectro se suministra al dispositivo de control, como variable de entrada. El dispositivo de control está diseñado ahora para controlar las unidades electrónicas de potencia en base a la variable de entrada o a las variables de entrada suministradas al mismo. De este modo, el dispositivo de control en particular está diseñado para realizar el control, en particular en base a tablas de consulta o en base a modelos, de manera que en función de la variable de entrada o de las variables de entrada para cada unidad electrónica de potencia se determina y regula la resistencia de entrada, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I y de la tensión de la célula U, de la célula PV asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia.
Preferentemente, el primer y el segundo tipo de célula están seleccionados de manera que sus máximos de PCE (PCE=Power Conversion Efficiency -eficiencia de la conversión de potencia-) se encuentren en rangos espectrales diferentes.
En particular, para la segunda célula PV está seleccionado un tipo de célula, cuya PCE máxima se encuentra en un rango espectral para el cual la primera célula PV esencialmente es transparente. "Esencialmente transparente" debe significar que la primera célula PV absorbe marcadamente menos ese rango espectral especial, en comparación con otros rangos espectrales. Naturalmente debe partirse del hecho de que la primera célula PV, principalmente en cada rango espectral relevante para esa aplicación, presenta un cierto grado de absorción, pero igualmente puede partirse del hecho de que el grado de absorción en determinadas áreas del espectro de luz es comparativamente reducido y, con ello, es "esencialmente transparente".
Por ejemplo, la primera célula PV puede ser una célula PV basada en perovskita y/o la segunda célula PV puede ser una célula basada en silicio.
En ese caso, el dispositivo de control está diseñado para controlar la unidad electrónica de potencia asociada a la primera célula PV, basada en perovskita, de manera que se compense una histéresis de variables de entrada de la primera célula PV. Esa compensación se alcanza mediante una adaptación correspondiente de los parámetros de funcionamiento del regulador, por ejemplo de parámetros PID.
Además, el dispositivo de control está diseñado para realizar el control de las unidades electrónicas de potencia de manera que se compensen un envejecimiento de una respectiva célula PV y/o un ensuciamiento del grupo de multicélulas PV. De este modo, se busca nuevamente la optimización del producto del rendimiento de corriente I y la tensión de la célula U, de la célula PV asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia, donde también aquí las resistencias de entrada de las unidades electrónicas de potencia se controlan independientemente una de otra. En un procedimiento según la invención para operar un dispositivo PV de esa clase con un grupo de multi-células PV, sistema electrónico de potencia, dispositivo de control de las clases mencionadas en la introducción, la primera y la segunda unidad electrónica de potencia son operadas independientemente una de otra con la ayuda del dispositivo de control, de manera que cada subsistema PV, que respectivamente presenta una de las células PV y la unidad electrónica de potencia asociada al mismo, trabaja en su punto de trabajo óptimo.
Durante el funcionamiento de la unidad electrónica de potencia de cada uno de los subsistemas PV, la respectiva unidad electrónica de potencia se controla de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, I2 y de la tensión de la célula U1, U2, de la célula PV asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia.
Durante el control de la respectiva unidad electrónica de potencia, la respectiva unidad electrónica de potencia se adapta de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, I2 y de la tensión de la célula U1, U2, de la célula PV asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia.
Preferentemente, el dispositivo de control controla las unidades electrónicas de potencia independientemente una de otra.
Nuevamente, en el caso de que el dispositivo PV presente un dispositivo sensor de la clase antes mencionada, las unidades electrónicas de potencia se controlan en base a las variables de entrada suministradas al dispositivo de control.
De este modo, el control se realiza en particular en base a tablas de consulta o en base a modelos, de manera que en función de la variable de entrada o de las variables de entrada para cada unidad electrónica de potencia se determina y regula la resistencia de entrada con la que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I y la tensión de la célula U, de la célula PV asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia. De este modo, en la tabla de consulta también puede estar almacenada una curva de envejecimiento de una capa de células.
Para cada sistema electrónico de potencia, por tanto, los niveles de tensión y de corriente se adaptan de manera que se alcance una producción de energía máxima de la respectiva célula PV, es decir que cada célula PV, con el sistema electrónico de potencia asociado a la misma, trabaje en su punto de trabajo óptimo.
La adaptación puede tener lugar por ejemplo mediante un control de la resistencia de entrada del respectivo sistema electrónico de potencia, donde el control de la resistencia de entrada afecta la producción de corriente I en el caso de la tensión de la célula U que depende de la iluminación, de la célula PV conectada a ese sistema electrónico de potencia. El producto de la tensión U generada por la célula PV durante la iluminación, con la corriente I correspondiente, describe la producción de energía de la célula PV.
Mediante la adaptación individual, posible con la ayuda de las unidades electrónicas de potencia separadas, esto tiene lugar con unas pérdidas marcadamente menores en comparación con la situación con células PV acopladas eléctricamente de forma fija, en donde en la práctica siempre un tipo de célula funciona por debajo de un nivel óptimo. El concepto se basa por tanto en abandonar el paradigma, hasta el momento siempre presente, de la conexión en serie clásica de células individuales de un grupo de multi-células PV con un sistema electrónico en común, hacia un concepto en paralelo de las células PV individuales, en el cual, con sistemas electrónicos primarios separados, las dos células PV funcionan bajo condiciones óptimas y puede sumarse la energía útil en el plano del sistema electrónico.
Mediante esta aproximación se eliminan las desventajas explicadas de las capacidades de corriente diferentes de las distintas células PV. Al mismo tiempo, cada célula PV del grupo de células puede funcionar en su punto de trabajo óptimo, es decir que debido a que para las dos células PV están proporcionados sistemas electrónicos de potencia separados las mismas pueden funcionar de forma continua en su punto de trabajo respectivamente óptimo. La aproximación aquí presentada soluciona además otro aspecto problemático de los grupos de multi-células PV: En general, las células PV sufren un proceso de envejecimiento. En el circuito en serie clásico de las células del grupo de células según el estado del arte, esto inevitablemente tiene como consecuencia un conflicto para la adaptación de las células individuales. En la aproximación según la invención ese efecto ya no juega ningún rol.
Adicionalmente, al prescindir del "current matching" se dispone de una mayor libertad de diseño para las células individuales. De este modo, por ejemplo las superficies de las dos células PV del grupo de células en gran medida pueden seleccionarse libremente, es decir que respectivamente puede utilizarse una superficie de la célula que se adapte de forma óptima a la respectiva tecnología. Del mismo modo, naturalmente pueden emplearse células Pv del mismo tamaño, que se sitúen unas sobre otras. Ante todo esto es ventajoso en el caso de la utilización de sistemas de película delgada para las células PV individuales, en donde los límites de las capas y el nivel correspondiente a menudo representan dificultades tecnológicas para las capas depositadas encima.
Mediante la separación antes descrita del grupo de células en células individuales y en particular mediante la utilización de sistemas electrónicos de potencia separados, independientes, en la respectiva célula PV pueden utilizarse sistemas electrónicos optimizados. Según la invención, debido a los sistemas electrónicos separados, junto con la adaptación al punto de trabajo respectivamente óptimo, pueden abordarse también otros temas problemáticos que se presentan especialmente en las nuevas células PV basadas en perovskita. Por ejemplo, en el caso de una célula basada en perovskita se observa una histéresis de los valores característicos iniciales de la célula, es decir que la característica inicial de la célula varía en función del funcionamiento previo de la célula. Por ejemplo, esto puede compensarse mediante una adaptación de los parámetros PID de un regulador PID integrado en el sistema electrónico de potencia de la célula PV basada en perovskita.
Además, a diferencia de las células PV convencionales, las células PV basadas en perovskita muestran a menudo un así llamado efecto de entrada, que consiste en que la eficiencia máxima de la célula, que a menudo se denomina como "Power Conversion Efficiency" -eficiencia de la conversión de potencia- (PCE), en el caso de una iluminación constante, se alcanza sólo después de una cierta latencia después de la puesta en funcionamiento de la célula. A diferencia de la célula basada en perovskita, la PCE de una célula basada en silicio se alcanza casi inmediatamente después de la puesta en funcionamiento. Nuevamente debido a las unidades electrónicas de potencia separadas y a los controles individuales de los distintos subsistemas PV, ambos subsistemas pueden funcionar en el punto de trabajo óptimo. Si bien la producción de energía de la célula basada en perovskita es reducida durante las consecuencias del efecto de entrada mencionado, en comparación con la producción de la otra célula, es sin embargo óptima para las condiciones existentes, debido a la posibilidad del control individual.
El concepto no sólo puede aplicarse en la combinación de células basadas en perovskita con células basadas en silicio, sino en principio en cualquier combinación con otros tipos de células PV, así como por ejemplo en células solares de capa delgada o con células de semiconductores III/V.
Otras ventajas y formas de ejecución resultan de los dibujos y de la descripción correspondiente.
A continuación, la invención y formas de ejecución a modo de ejemplo se explican en detalle mediante los dibujos. Allí, los componentes idénticos se identifican con los mismos símbolos de referencia en las distintas figuras.
Muestran:
Figura 1 un grupo de células en tándem PV según el estado del arte,
Figura 2 secciones transversales del grupo de células en tándem PV según el estado del arte,
Figura 3 un dispositivo PV según la invención,
Figura 4 una relación entre la producción de corriente I y la tensión de la célula U, en el caso de una célula PV típica,
Figura 5 un dispositivo PV según la invención, en una primera variante,
Figura 6 un dispositivo PV según la invención, en una segunda variante.
Los mismos símbolos de referencia identifican los mismos componentes en las distintas figuras.
La figura 3 muestra un dispositivo PV 100 con un grupo de multi-células PV 1 que presenta una primera célula PV 11 de un primer tipo de célula, es decir, con una o varias primeras áreas 12 sensibles a la luz, de un primer material, que durante la iluminación proporcionan una tensión eléctrica U1, así como una segunda célula PV 21 de un segundo tipo de célula, es decir, con una o varias segundas áreas 22 sensibles a la luz (no representadas), de un segundo material, que igualmente durante la iluminación proporcionan una tensión eléctrica U2. El grupo de multicélulas PV 1 que presenta las dos células PV 11, 21, por consiguiente, se trata de un grupo de células en tándem PV. A continuación, para simplificar, en general se utiliza la expresión de manera que la respectiva célula PV genera una tensión (o de forma similar), con lo cual sin embargo se entiende que esas tensiones son generadas por las respectivas áreas de las células, sensibles a la luz.
El grupo de células 1, durante el funcionamiento, se dispone de manera que la primera célula PV 11 está orientada hacia una fuente de luz, por ejemplo hacia el sol. La luz L irradiada por la fuente de luz y que incide sobre el grupo de células 1, por tanto, incide primero sobre la primera célula PV 11, lo cual, de manera conocida, conduce a que la primera célula PV 11, así como sus áreas 12 sensibles a la luz, del primer material, genere la primera tensión eléctrica de la célula U1. Después de atravesar la primera célula PV 11, la luz residual correspondiente incide primero sobre la segunda célula PV 21, lo cual, igualmente de manera conocida, conduce a que la segunda célula PV 21, así como sus áreas 22 sensibles a la luz, del segundo material, genere una segunda tensión eléctrica de la célula U2.
De manera ventajosa, los dos tipos de células están seleccionados de manera que la eficiencia máxima de las distintas células 11, 21, que se denomina también como "Power Conversion Efficiency" (PCE), se encuentre en rangos espectrales diferentes. En particular, para la segunda célula PV 21 está seleccionado un tipo de célula, cuya PCE máxima se encuentra en un rango espectral para el cual la primera célula PV 11 esencialmente es transparente. "Esencialmente transparente" debe significar que la primera célula PV 11 absorbe marcadamente menos ese rango espectral especial, en comparación con otros rangos espectrales. Naturalmente debe partirse del hecho de que la primera célula PV 11 principalmente en cada rango espectral relevante para esa aplicación, presenta un cierto grado de absorción, pero igualmente puede partirse del hecho de que el grado de absorción en determinadas áreas del espectro de luz es comparativamente reducido y que la célula 11, con ello, es "esencialmente transparente" para ese rango espectral.
En el ejemplo mostrado, la primera célula PV 11 es una célula PV basada en perovskita, es decir, que las áreas 12 de la primera célula PV 11 presentan un material de perovskita. La segunda célula PV 21, en cambio, es una célula PV basada en silicio. Los materiales basados en perovskita presentan una banda prohibida más grande que los materiales basados en silicio, por lo cual la célula PV 11 basada en perovskita tiene una parte de absorción en el rango espectral azul, así como de onda corta, y deja pasar luz de onda más larga. La célula PV 21 basada en silicio absorbe con mayor intensidad en el rango espectral de onda más larga, de manera que la célula de silicio 21 puede absorber la luz que ha pasado por la célula de perovskita 11 o al menos una parte de la misma.
El dispositivo PV 100 presenta un sistema electrónico de potencia 30 con una primera unidad electrónica de potencia 31 y una segunda unidad electrónica de potencia 32, donde las unidades electrónicas de potencia 31, 32 trabajan de forma separada e independientemente una de otra. La primera unidad electrónica de potencia 31 está asociada a la primera célula PV 11 y la segunda unidad electrónica de potencia 32 está asociada a la segunda célula PV 21. De este modo, la primera célula PV 11 y la primera unidad electrónica de potencia 31 forman un primer subsistema PV 10 del grupo de células 1. Del mismo modo, la segunda célula PV 21 y la segunda unidad electrónica de potencia 32 forman un segundo subsistema PV 20 del grupo de células 1. Las tensiones de la célula U1, U2, generadas por las células PV 11, 21 durante la iluminación, son suministradas a la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32 mediante conexiones eléctricas 14, 24 correspondientes. En función de una respectiva resistencia de entrada de las unidades electrónicas de potencia 31, 32 resultan producciones de corriente I1, I2 correspondientes.
El dispositivo PV 1 presenta además un dispositivo de control 40 que está diseñado para controlar la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32 durante el funcionamiento de la unidad electrónica de potencia 31, 32 de cada uno de los subsistemas PV 10, 20, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, así como I2 y la tensión de la célula U1, así como U2 de la célula PV 11, 21 asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32. Esto conduce a que la producción de energía del respectivo subsistema PV 10, 20 sea máxima, donde el punto esencial reside en el hecho de que para los subsistemas PV 10, 20 se llega al punto de trabajo óptimo de forma individual e independientemente unos de otros.
En ese contexto, y para explicar el modo de funcionamiento del dispositivo de control 40, la figura 4, para una célula PV típica, muestra la relación entre la producción de corriente I y la tensión de la célula U, en el caso de una iluminación constante. El punto de trabajo óptimo con producción de energía máxima, así como con generación de energía óptima, en el diagrama se encuentra en el punto identificado con MAX, en el cual es máximo el producto de la tensión de la célula U y la producción de corriente I. En el caso de condiciones de uso variables, es decir, por ejemplo en el caso de situaciones de iluminación cambiantes, debido a la diversidad de las células PV 11, 21 del grupo de células 1, que habitualmente reaccionan de modo diferente frente a variaciones de la intensidad de la luz y de la temperatura, etc., inevitablemente se presentan situaciones en las que al menos una de las células PV 11, 21 ya no funciona en el punto de trabajo óptimo. Para todo el grupo de células 1 esto significa que el mismo, como conjunto, no puede utilizarse en el punto de trabajo óptimo. El funcionamiento del grupo de células 1 en el punto de trabajo1 sólo es posible entonces cuando las células PV 11, 21 individuales que forman el grupo de células 1, así como los subsistemas 10, 20, son operados individualmente en su punto de trabajo óptimo. Para lograr esto se utilizan los sistemas electrónicos de potencia 31, 32 separados, ya que su utilización individual, independiente, permite optimizar individualmente los parámetros de funcionamiento para cada célula PV 11, 21; así como para cada subsistema PV 10, 20.
El dispositivo de control 40 ahora está diseñado para adaptar una resistencia de entrada de la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32 y, con ello, la producción de corriente I en el respectivo subsistema PV 10, 20, durante el control de la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente i1, así como I2, y de la tensión de la célula U1, así como U2, para la célula PV 11, 21 asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32, donde el dispositivo de control 40 controla las unidades electrónicas de potencia 31, 32, en particular independientemente una de otra. Para ello, el dispositivo de control 40 puede presentar por ejemplo un número de reguladores 41, 42 correspondientes al número de los subsistemas PV 10, 20, donde a cada unidad electrónica de potencia 31, 32; así como a cada subsistema PV 10, 20, está asociado un regulador 41, 42. Esos reguladores 41, 42 por ejemplo pueden estar diseñados como los así llamados reguladores PID.
El dispositivo de control 40, así como los reguladores 41, 42 individuales, por ejemplo trabajan de manera que para cada subsistema PV 10, 20 se miden de forma separada su producción de corriente I1, o I2, así como la tensión de la célula U1 o U2. Concretamente, por ejemplo el primer regulador 41, en base a los valores suministrados al mismo para I1 y U1, varían la resistencia de entrada de la primera unidad electrónica de potencia 31 y, de ese modo, la producción de corriente I1, así como la tensión de la célula U1, o monitorean el producto de esos valores de medición. La resistencia de entrada, del modo ya mencionado, se controla de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1 y la tensión de la célula U1, asociado con una producción de energía máxima del primer subsistema PV 10. El regulador 42 del segundo subsistema PV 42 trabaja del mismo modo, mediante la variación de la resistencia de entrada de la segunda unidad electrónica de potencia 32, de manera que también sea máximo el producto del rendimiento de corriente I2 y la tensión de la célula U2 del segundo subsistema PV 20, asociado con una producción de energía máxima del segundo subsistema PV 20. Mediante las conexiones eléctricas 43, 44 indicadas con flechas dobles, entre las unidades electrónicas de potencia 31, 32, y los reguladores 41, 42, por tanto, los componentes 31, 41; así como 32, 42, interactúan en gran medida unos con otros, de modo que valores de corriente y de tensión I1, I2, U1, U2 se ponen a disposición de los reguladores 41, 42, y los reguladores 41, 42, en base a esos valores, influyen en las unidades electrónicas de potencia 31, 32, de manera que controlan las resistencias de entrada.
De manera adicional o alternativa con respecto a lo antes explicado, al dispositivo de control 40 se le pueden suministrar datos desde un dispositivo sensor 50, mediante procedimientos que se basan en mediciones de corriente o de tensión. El dispositivo sensor 50 presenta un dispositivo 51 para determinar temperaturas de las células PV 11, 21 y/o para determinar una temperatura del entorno del grupo de células en tándem PV 1. Uno o eventualmente varios parámetros que describen las temperaturas y/o la temperatura del entorno son suministrados al dispositivo de control 40 y a los reguladores 41, 42 separados, como variable de entrada. De manera alternativa o adicional, el dispositivo sensor 50 puede presentar un dispositivo 52 para determinar una intensidad de la luz que incide sobre el grupo de multi-células PV 1 y en particular sobre la primera célula PV 11, donde un parámetro que describe la intensidad de la luz se suministra al dispositivo de control 40, así como a los reguladores 41, 42, como variable de entrada. Además, el dispositivo sensor 50 puede presentar un dispositivo 53 para determinar un espectro de la luz que incide sobre el grupo de multi-células PV 1 y en particular sobre la primera célula PV 11, donde un parámetro que describe el espectro se suministra al dispositivo de control 40, así como a los reguladores 41, 42, como variable de entrada. El dispositivo de control 40 ahora está diseñado para controlar las unidades electrónicas de potencia 31, 32 en base a la variable de entrada o a las variables de entrada suministradas al mismo, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I y de la tensión de la célula, de la célula PV 11, 21 asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32. Esto puede tener lugar nuevamente mediante una adaptación correspondiente de la resistencia de entrada de la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32. Los valores diana, a los que se regulan aquí las resistencias de entrada, por ejemplo pueden determinarse en base a modelos o sin embargo mediante tablas de consulta, de manera que en función de la variable de entrada o de las variables de entrada para cada unidad electrónica de potencia 31, 32, a partir de una tabla de consulta correspondiente, se determina y regula la resistencia de entrada, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I y de la tensión de la célula U de la célula PV 11, 21 asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32.
Además, con la ayuda del dispositivo de control 40 también puede observarse y eventualmente considerarse un proceso de envejecimiento de las células 11, 21. Cuando en ambas unidades electrónicas de potencia 31, 32 se monitorea la efectividad de la detección del punto de trabajo óptimo, mediante la degradación de una de las células puede emitirse un aviso, así como puede monitorearse el estado de envejecimiento.
En general aplica que el ensuciamiento de las células solares se produce en particular en zonas áridas y del desierto, debido a la acumulación de polvo, a menudo además intensificado el ensuciamiento debido a los aerosoles que contienen sal. En zonas húmedas y en su estado natural se produce un ensuciamiento debido al asentamiento de células vivas (del reino vegetal) y en zonas industriales debido a la acumulación de partículas, por ejemplo negro de carbón. Las acumulaciones de polvo, así como de células del reino vegetal, presentan un color que puede identificarse claramente, modificando por tanto la composición espectral de la luz que alcanza las células PV propiamente dichas. En el caso de acumulaciones de negro de carbón que a primera vista parecen incoloras, es decir que esencialmente son negras, observando con mayor precisión resulta claro que también las partículas de negro de carbón oscuras presentan una absorción de la luz que depende del espectro. En el caso de una modificación mecánica de la superficie, por ejemplo de la generación de una superficie opaca debido a partículas de arena, tiene lugar en cambio una dispersión de la luz y no principalmente un desplazamiento espectral. En el caso de una variación de la composición espectral de la luz que resulta de un ensuciamiento, inevitablemente tiene lugar un conflicto de la generación de corriente de las dos células individuales PV 11, 21, espectralmente diferentes, de la célula en tándem 1. La única posibilidad de poder operar de forma estable en un nivel óptimo, como antes, las dos células 11, 21 a pesar de un ensuciamiento, consiste en la activación separada de las células, así como en el control independiente, individual, de los dos subsistemas PV 10, 20 según el enfoque antes descrito, en el cual, para cada subsistema 10, 20, la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32 se regula de manera que sea máximo el producto del rendimiento de energía I y de la tensión de la célula U, de la célula PV 11, 21 asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32. También en esta aplicación, en la que puede compensarse un ensuciamiento, y del mismo modo, un eventual envejecimiento de las células PV 11, 21, el control se basa en una regulación de la resistencia de entrada de una respectiva unidad electrónica de potencia 31, 32, de manera que sea máximo el producto mencionado.
La aproximación aquí propuesta, por lo tanto, es adecuada para la compensación de diversas situaciones o condiciones del entorno, donde un punto esencial consiste en que los subsistemas PV 10, 20; así como las unidades electrónicas de potencia 31,32, se controlan independientemente unos de otros.
La figura 5 muestra una forma de ejecución del dispositivo PV 100, en la cual está reducida la inversión de costes para el cableado entre el grupo de células 1 y el sistema electrónico de potencia 40. Para ello, las células 11, 21 se fijan en un potencial en común, así como se conectan unas con otras, de modo que sólo 3 líneas eléctricas deben ser guiadas hacia el sistema electrónico de potencia 40.
La forma de ejecución mostrada en la figura 6 consigue que puedan reducirse al mínimo las tensiones que se presentan en conjunto, de las células individuales 11, 21 y, con ello, que se reduzcan las exigencias en cuanto al aislamiento del cableado. Para ello, las dos células 11, 21 se disponen de manera que sus tensiones U1, U2 están orientadas de forma opuesta una con respecto a otra. Naturalmente, esto no es conveniente en los grupos de células en tándem PV convencionales, pero aquí puede aplicarse de manera ventajosa. Nuevamente, de manera opcional, es conveniente fijar en un potencial en común las conexiones de las células 11, 21, opuestas unas con respecto a otras, como en la realización representada en la figura 5.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo PV -de tecnología fotovoltaica-(100) con
- un grupo de multi-células PV (1) con al menos una primera célula PV (11) de un primer tipo de célula y una segunda célula PV (21) de un segundo tipo de célula,
donde el primer y el segundo tipo de célula se diferencian uno de otro, y donde cada una de las células PV (11, 21), al incidir luz sobre la respectiva célula PV (11, 21), proporciona una tensión eléctrica de la célula U1, U2, caracterizado por
- un sistema electrónico de potencia (30) con una primera unidad electrónica de potencia (31) separada que está asociada a la primera célula PV (11), y con una segunda unidad electrónica de potencia (32) separada que está asociada a la segunda célula PV (22),
donde la tensión eléctrica de la célula U1, U2 generada en la respectiva célula PV (11, 21) y una producción de corriente I1, I2 correspondiente pueden ser suministradas a la unidad electrónica de potencia (31, 32) separada, asociada a la respectiva célula PV (11, 21),
- un dispositivo de control (40) para controlar el sistema electrónico de potencia (30),
donde
- la primera (31) y la segunda unidad electrónica de potencia (32) pueden ser operadas de forma independiente una de otra mediante el dispositivo de control (40), de manera que cada subsistema PV (10, 20), que respectivamente presenta una de las células PV (11, 21) y la unidad electrónica de potencia (31, 32) asociada a la respectiva célula PV (11, 21), trabaja en su punto de trabajo óptimo.
2. Dispositivo PV (100) según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de control (40) está diseñado para controlar la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32) durante el funcionamiento de la unidad electrónica de potencia (31, 32) de cada uno de los subsistemas PV (10, 20), de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, I2 y la tensión de la célula U1, U2 de la célula PV (11, 21) asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32).
3. Dispositivo PV (100) según la reivindicación 2, caracterizado porque el dispositivo de control (40) está diseñado para adaptar una resistencia de entrada de la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32) durante el control de la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32), de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, I2 y la tensión de la célula U1, U2 de la célula PV (11, 21) asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32).
4. Dispositivo PV (100) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por un dispositivo sensor (50) que presenta
- un dispositivo (51) para determinar temperaturas de las células PV (11, 21) y/o para determinar una temperatura del entorno del grupo de multi-células PV (1), donde uno o varios parámetros que describen las temperaturas y/o la temperatura del entorno son suministrados al dispositivo de control (40) como variable de entrada, y/o
- un dispositivo (52) para determinar una intensidad de la luz que incide sobre el dispositivo PV (100), en particular sobre la primera célula PV (11), donde un parámetro que describe la intensidad de la luz se suministra al dispositivo de control (40) como variable de entrada, y/o
- un dispositivo (53) para determinar un espectro de una luz que incide sobre el dispositivo PV (100), en particular sobre la primera célula PV (11), donde un parámetro que describe el espectro se suministra al dispositivo de control (40) como variable de entrada,
donde
- el dispositivo de control (40) está diseñado para controlar las unidades electrónicas de potencia (31, 32) en base a la variable de entrada o a las variables de entrada suministradas al mismo.
5. Dispositivo PV (100) según la reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de control (40) está diseñado para realizar el control, en particular en base a tablas de consulta o en base a modelos, de manera que en función de la variable de entrada o de las variables de entrada para cada unidad electrónica de potencia (31, 32) se determina y regula la resistencia de entrada, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I y de la tensión de la célula U de la célula PV (11, 21) asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32).
6. Dispositivo PV (100) según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el primer y el segundo tipo de célula están seleccionados de manera que sus máximos de PCE -eficiencia de la conversión de potencia- se encuentran en rangos espectrales diferentes.
7. Dispositivo (100) según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la primera célula PV (11) es una célula PV basada en perovskita y/o la segunda célula PV (21) es una célula PV basada en silicio.
8. Dispositivo PV (100) según la reivindicación 7, caracterizado porque el dispositivo de control (40) está diseñado para controlar la unidad electrónica de potencia (31) asociada a la primera célula PV (11) basada en perovskita, de manera que se compensa una histéresis de variables de salida de la primera célula PV (11), en particular de la tensión de la célula U1 y la producción de corriente I1.
9. Dispositivo PV según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el dispositivo de control (40) está diseñado para realizar el control de las unidades electrónicas de potencia (31, 32) de manera que se compensan un envejecimiento de una respectiva célula PV (11, 21) y/o un ensuciamiento del grupo de multi-células PV (1).
10. Procedimiento para operar un dispositivo PV (100) con
- un grupo de multi-células PV (1) con al menos una primera célula PV (11) de un primer tipo de célula y una segunda célula PV (21) de un segundo tipo de célula, donde el primer y el segundo tipo de célula se diferencian uno de otro, y donde cada una de las células PV (11, 21), al incidir luz sobre la respectiva célula PV (11, 21), proporciona una tensión eléctrica de la célula U1, U2,
- un sistema electrónico de potencia (30) con una primera unidad electrónica de potencia (31) separada que está asociada a la primera célula PV (11), y con una segunda unidad electrónica de potencia (32) separada que está asociada a la segunda célula PV (22), donde la tensión eléctrica de la célula U1, U2 generada en la respectiva célula PV (11, 21) y una producción de corriente I1, I2 correspondiente son suministradas a la unidad electrónica de potencia (31, 32) separada, asociada a la respectiva célula PV (11,21),
- un dispositivo de control (40) para controlar el sistema electrónico de potencia (30), donde
- la primera (31) y la segunda unidad electrónica de potencia (32) son operadas de forma independiente una de otra mediante un dispositivo de control (40), de manera que cada subsistema PV (10, 20), que respectivamente presenta una de las células PV (11, 21) y la unidad electrónica de potencia (31, 32) asociada a la respectiva célula PV (11,21), trabaja en su punto de trabajo óptimo.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque durante el funcionamiento de la unidad electrónica de potencia (31, 32) de cada uno de los subsistemas PV (10, 20), la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32) se controla de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, I2 y de la tensión de la célula U1, U2 de la célula PV (11, 21) asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32).
12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque durante el control de la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32), una resistencia de entrada de la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32) se adapta de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I1, I2 y de la tensión de la célula U1, U2 de la célula PV (11, 21) asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32).
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 a 12, donde el dispositivo PV (100) comprende un dispositivo sensor (50), que presenta
- un dispositivo (51) para determinar temperaturas de las células PV (11, 21) y/o para determinar una temperatura del entorno del grupo de multi-células PV (1), donde uno o varios parámetros que describen las temperaturas y/o la temperatura del entorno son suministrados al dispositivo de control (40) como variable de entrada, y/o
- un dispositivo (52) para determinar la intensidad de la luz que incide sobre el dispositivo PV (100), en particular sobre la primera célula PV (11), donde un parámetro que describe la intensidad de la luz se suministra al dispositivo de control (40) como variable de entrada, y/o
- un dispositivo (53) para determinar un espectro de la luz que incide sobre el dispositivo PV (100), en particular sobre la primera célula PV (11), donde un parámetro que describe el espectro se suministra al dispositivo de control (40) como variable de entrada, donde las unidades electrónicas de potencia (31, 32) se controlan en base a la variable de entrada o a las variables de entrada suministradas al dispositivo de control (40).
14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque el control, en particular en base a tablas de consulta o en base a modelos, se realiza de manera que en función de la variable de entrada o de las variables de entrada para cada unidad electrónica de potencia (31, 32) se determina y regula la resistencia de entrada, de manera que sea máximo el producto del rendimiento de corriente I y de la tensión de la célula U de la célula PV (11, 21) asociada a la respectiva unidad electrónica de potencia (31, 32).
15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque las unidades electrónicas de potencia (31, 32) se controlan de manera que se compensan influencias debido al envejecimiento de una respectiva célula PV y/o influencias debido a un ensuciamiento del grupo de multi-células PV (1).
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