ES2931087B2 - Módulo fotovoltaico bifacial semitransparente con concentradores de irradiancia posterior - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
Módulo fotovoltaico bifacial semitransparente con concentradores de irradiancia posterior
La presente invención se encuadra en el área técnica/sector de la energía fotovoltaica; concretamente está relacionada con módulos fotovoltaicos, por ejemplo para agricultura e integración en edificios.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los módulos fotovoltaicos semitransparentes convierten parte de la irradiancia incidente en electricidad, mientras que la irradiancia no absorbida es transmitida por el dispositivo. Esto permite diferentes aplicaciones, como en la agricultura fotovoltaica, donde la irradiancia transmitida se utiliza para que las plantaciones (bien sean plantaciones exteriores o en invernaderos) realicen la fotosíntesis, o en la integración arquitectónica en edificios, donde la irradiancia transmitida sirve para iluminar el interior y realizar funciones estéticas.
Hoy en día existen dos tipos de tecnología fotovoltaica que permiten obtener semitransparencia. Por un lado, la utilización de películas delgadas de materiales semiconductores como silicio amorfo, cobre-indio-galio-selenio (CIGS), cadmio-teluro (CdTe), células de puntos cuánticos, polímeros orgánicos, células sensibilizadas por colorante o perovskitas, que tienen en sí cierto grado de transparencia, permitiendo niveles de transparencia entre el 9% de la luz incidente y el 54% (Kangmin Lee et al., "The Development of Transparent Photovoltaics”, Cell Reports Physical Science 1, 100143, 26 de agosto de 2020, Tabla 1). Por otro lado, la utilización de células opacas de silicio cristalino, que se configuran con área de separación en el módulo, de manera que hay una parte de área transparente (vidrio) y una parte de área opaca (célula fotovoltaica). En esta configuración, cuanto mayor sea el área de separación entre células, mayor será el grado de transparencia. Existen productos comerciales que utilizan este último concepto. Por ejemplo, la empresa alemana BISOL Solar Company comercializa la serie BISOL Lumina, que utiliza células de silicio monocristalino o policristalino con factores de transparencia entre el 5,3% y el 53,6% (https://www.bisol.com/pv-modules). De los dos tipos de tecnología fotovoltaica semitransparente, hoy en día se tiende a utilizar más la opción de silicio cristalino debido a la abundancia del silicio, su bajo coste y su fiabilidad.
Una limitación de estos módulos de silicio semitransparente es que, cuanto mayor es el nivel de transparencia, menor es la eficiencia del dispositivo, al reducirse la cantidad de área
activa. Existen aplicaciones que requieren un elevado nivel de transparencia, por ejemplo en agricultura, donde ciertos tipos de plantas requieren una elevada exposición solar para no perder producción. Una manera directa de aumentar la producción eléctrica de estos módulos semitransparentes es utilizar células bifaciales que, al capturar tanto la irradiancia frontal como la posterior, aumentan la producción eléctrica respecto a las monofaciales, con un aumento en el coste del dispositivo mínimo.
Existen varias patentes que utilizan concentradores en conjunto con células bifaciales para aumentar la producción eléctrica de los módulos bifaciales:
Patente de Estados Unidos n° 5538563, de 23 de julio de 1996, por Anthony W. Finkl: Utiliza reflectores planos en forma de pirámide y células bifaciales montadas bien en posición vertical o en posición horizontal. Los concentradores reciben la irradiancia incidente y la desvían hacia ambas caras de las células bifaciales.
Patente de Estados Unidos n° US 2012/0097213 A1, de 26 de abril de 2012, por Plkington Group Limited: Utiliza una plancha plana reflectiva paralela a una superficie activa bifacial semitransparente, de tal manera que la irradiancia transmitida por el área activa es reflejada y devuelta a la cara posterior de la superficie activa.
Patente de Estados Unidos n° 4169738, de 2 de octubre de 1979, por Antonio Luque. Se utiliza un concentrador reflexivo con forma de paraboloide que concentra la irradiancia incidente sobre una célula bifacial situada dentro del volumen del concentrador. Dicho volumen va relleno de un fluido que ayuda a la refrigeración y se incorporan disipadores de aletas en la parte posterior.
Patente de Estados Unidos n° US 2010/0126556A1, de 27 de mayo de 2010, por Light Prescriptions Innovators: En este sistema de alta concentración, se utilizan lentes Fresnel para focalizar la irradiancia directa sobre una célula principal, la cual va rodeada de células bifaciales encargadas de absorber la irradiancia difusa y de albedo.
Patente europea n° EP 1732 141 A1, de 13 de diciembre de 2006, por The General Electric Company Schenectady: En este sistema, la cubierta frontal tiene una superficie plana y una superficie moldeada capaz de concentrar y guiar la luz sobre los arreglos de células bifaciales.
Patente alemana n° DE 202014 105516, de 5 de febrero de 2015, por SolarWorld AG: En este sistema, al menos dos arreglos de módulos bifaciales se montan en posición vertical paralelos entre sí, y se incorpora un reflector en posición horizontal en la base de la estructura para aumentar la irradiancia incidente sobre las superficies de los módulos.
Patente de Estados Unidos n° US 2016/0284.914 A1, de 29 de septiembre de 2016, por BAKERSUN: En este sistema, al menos un módulo bifacial se monta en posición horizontal elevado respecto al suelo y se incorpora un reflector en la parte posterior con forma de
prisma triangular o de semicilindro para aumentar la irradiancia recibida por la superficie posterior del módulo.
Todos los dispositivos descritos anteriormente tienen como característica el uso de concentradores que redireccionan la irradiancia recibida frontalmente hacia las células bifaciales para aumentar su producción eléctrica. Sin embargo, la utilización de estos concentradores implica reducir o eliminar la transparencia del sistema. Por lo tanto, no son adecuados para módulos fotovoltaicos bifaciales semitransparentes.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto aumentar la capacidad de producción eléctrica de los módulos bifaciales semitransparentes, mediante la concentración de los rayos de luz posteriores, principalmente provenientes de la reflexión del suelo y de los objetos cercanos.
Con este fin, el módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la invención incorpora concentradores refractivos en su parte posterior, es decir, en la parte más alejada de la cara de entrada principal de los rayos solares o destinada a ser colocada más cerca del suelo. Dichos concentradores permiten el paso de la irradiancia frontal, asegurando el grado de transparencia requerido, mientras que redireccionan la irradiancia posterior dirigiéndola hacia la cara posterior de las células bifaciales. Con esta estrategia, de forma ideal, se puede aprovechar toda la radiación posterior sin afectar el grado de transparencia.
Aunque el uso de concentradores para mejorar la capacidad de producción de electricidad de los módulos bifaciales no es nuevo, las invenciones existentes se han centrado en concentrar o redireccionar la irradiancia frontal, reduciendo o eliminando la semitransparencia de los módulos. La solución propuesta en esta invención permite asegurar el nivel de transparencia requerido por la aplicación y contribuye a aumentar la capacidad de producción de energía de los módulos bifaciales, resultando adecuada para la agricultura fotovoltaica y para la integración en edificios.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención y para complementar esta descripción, se acompañan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:
La Fig. 1 muestra un esquema de la estructura del módulo fotovoltaico bifacial semitransparente con concentradores refractivos posteriores. En la figura se representan los concentradores refractivos de canal en V cruzado a modo de ejemplo.
La Fig.2 muestra una gama de siete concentradores refractivos que pueden integrarse en el módulo bifacial semitransparente. Además de éstos, pueden integrarse otras variantes de concentradores refractivos.
La Fig. 3 muestra la relación entre el factor de transparencia del módulo fotovoltaico bifacial semitransparente y su ganancia en potencia respecto a un módulo monofacial semitransparente con el mismo factor de transparencia, considerando una eficiencia óptica baja (0,40) y una eficiencia óptica alta (0,70), para Bifacialidad = 0,85, Irradiancia frontal = 1000 W/m2 e Irradiancia posterior = 300 W/m2.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
La presente invención está relacionada con un módulo fotovoltaico bifacial semitransparente con concentradores refractivos posteriores que permiten aumentar la capacidad de generación de energía eléctrica redirigiendo los rayos de luz que inciden posteriormente hacia la cara posterior de las células bifaciales, manteniendo el grado de semitransparencia requerido por la aplicación, con uso en agricultura fotovoltaica o en integración en edificios. La invención permite aprovechar toda la radiación posterior que incide sobre el módulo sin afectar al grado de transparencia. En referencia a la figura 1, el módulo se compone de dos láminas de vidrio templado con tratamiento anti reflectante (lámina frontal 1 y lámina posterior 4), una matriz de células bifaciales 2 bajo la lámina de vidrio frontal que guardan un área de separación entre ellas para lograr el grado de transparencia deseado y una matriz de concentradores refractivos posteriores 3 bajo la cara posterior de las células bifaciales, disponiendo cada célula de un concentrador asociado, es decir, colocado con su cara anterior en directa correspondencia con la célula. Las células bifaciales se encuentran interconectadas eléctricamente para permitir una salida a dos hilos de la potencia eléctrica.
Los concentradores refractivos tienen un área superior o anterior igual al área de la célula bifacial y un área inferior o posterior más grande para capturar la mayor cantidad de irradiancia posterior posible, de forma que el sistema óptico formado por todas las distintas unidades cubre toda el área posterior del módulo con el fin de aceptar toda la irradiancia incidente posterior.
El principio de operación del módulo puede resumirse de la siguiente manera: una parte de los rayos de luz que llegan frontalmente 5 inciden directamente sobre la cara frontal de las células bifaciales; el resto de los rayos de luz que llegan frontalmente 6 atraviesan el módulo permitiendo el grado de transparencia requerido; los rayos de luz que llegan posteriormente 7 son redireccionados mediante reflexión interna total por los concentradores refractivos posteriores hacia la cara posterior de las células bifaciales. De esta manera, una mayor parte de la irradiancia posterior puede ser convertida en electricidad comparado con un módulo bifacial sin concentradores posteriores.
Los concentradores posteriores, fabricados de material refractivo, pueden adoptar varias formas. En referencia a la figura 2, los distintos tipos de concentradores mostrados (que no son los únicos existentes) son:
8- Concentrador parabólico compuesto de revolución;
9 - Concentrador parabólico compuesto cruzado;
10 - Concentrador parabólico compuesto;
11 - Concentrador parabólico compuesto con paredes de lente;
12 - Concentrador de canal en V cruzado;
13 - Concentrador parabólico compuesto poligonal;
14 - Hiperboloide elíptico cuadrado.
Estos tipos de concentradores se utilizan de manera habitual como concentradores de irradiancia frontal en sistemas de baja concentración fotovoltaica, alcanzando niveles de concentración geométrica de hasta 10x, o como elemento óptico secundario en sistemas de alta concentración capaces de concentrar la irradiancia frontal hasta 2000x (Shanks et al., "Optics for concentrating photovoltaics: Trends, limits and opportunities for materials and design”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 60 (2016) 394—407). En la presente invención se utilizan por primera vez como concentradores de irradiancia posterior. Cabe destacar que los niveles de baja concentración geométrica hasta 10x permiten montar los módulos bifaciales en estructura fija, evitando el uso de seguidores solares en las aplicaciones.
La ganancia en potencia obtenida por el módulo bifacial semitransparente con concentradores posteriores respecto a un módulo monofacial semitransparente puede calcularse como:
Ganancia (%) = ( Irradiancia posterior * Bifacialidad * Eficiencia óptica ) / [ Irradiancia frontal * ( 1 - Factor de transparencia ) ] * 100
Los márgenes de ganancia de la invención pueden obtenerse entonces considerando los siguientes márgenes para los parámetros: Factor de transparencia: 0,50 - 0,90; Bifacialidad: 0,80 - 1,00; Eficiencia óptica: 0,40 - 0,70; Irradiancia frontal: 1000 W/m2; Irradiancia posterior: 100 - 300 W/m2. Se obtiene así un margen de ganancia entre 6,4 % y 210% en función de la configuración.
La máxima concentración geométrica de los concentradores refractivos es función del factor de transparencia, según la fórmula:
Concentración máxima = 1 / ( 1 - Factor de transparencia)
Según esta fórmula, para un margen de Factor de transparencia entre 0,50 y 0,90, se obtiene una concentración máxima entre 2x y 10x. Estos niveles de concentración pueden obtenerse con los tipos de concentradores refractivos 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 u otras variantes de concentradores refractivos.
Como ejemplo de realización de la invención, se describe a continuación un módulo fotovoltaico bifacial semitransparente con concentradores posteriores donde las células fotovoltaicas tienen una Bifacialidad = 0,85 y los concentradores posteriores tienen una Eficiencia óptica = 0,50. Se utilizan para ello células bifaciales comerciales y concentradores ópticos del tipo canal en V cruzado 12.
Tanto el diseño de los concentradores posteriores como la ganancia que obtiene el módulo respecto a un monofacial semitransparente dependen en gran medida del Factor de transparencia requerido por la aplicación. El diseño de los concentradores posteriores debe adaptarse para que el área de captación sea lo más grande posible mientras que el área hacia la que concentran la luz posterior debe coincidir con el área de la célula bifacial. En el caso de los concentradores de tipo canal en V cruzado 12, el área de captación puede adaptarse al total de área de captación del módulo por tener una apertura cuadrada, maximizando la captura de irradiancia posterior. La ganancia en potencia que obtiene el módulo bifacial semitransparente con concentradores posteriores es función del Factor de transparencia, como se representa en la Fig. 3 para una alta eficiencia óptica (0,70) y una baja eficiencia óptica (0,40). En función del Factor de transparencia, y considerando en esta realización una eficiencia óptica de 0,50, se pueden obtener ganancias entre el 25,5% y el
127,5%, aplicando una Irradiancia frontal = 1000 W/m2 y una Irradiancia posterior = 300 W/m2.
La invención es, pues, especialmente útil en aplicaciones que requieren un alto grado de transparencia. Como ejemplo de realización, la invención puede utilizarse en aplicaciones de agricultura, para plantaciones que requieren un alto grado de insolación para asegurar su producción. En este caso, se elige un factor de transparencia = 0,80. El módulo se configura con concentradores refractivos posteriores de concentración geométrica 5x para obtener una ganancia en potencia de 63,8%. Esto equivale a una producción de potencia eléctrica por unidad de área de módulo de 65,5 W/m2, comparado con los 40 W/m2 que produciría un módulo monofacial con el mismo grado de semitransparencia.
A la vista de esta descripción y figura, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin exceder el objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.
Claims (8)
1. Módulo fotovoltaico bifacial semitransparente con concentradores de irradiancia que comprende
- una cubierta de vidrio frontal (1),
- una matriz de células bifaciales (2), donde cada célula está separada de otras por un área de separación y las células están interconectadas eléctricamente para obtener una salida de potencia eléctrica a dos hilos,
- una cubierta de vidrio posterior (4);
caracterizado por que comprende además
- una matriz de concentradores refractivos posteriores (3), donde cada concentrador corresponde a cada célula con su arista menor enfrentada a dicha célula y su arista mayor enfrentada a la cubierta posterior (4) y alejada de la cubierta frontal (1).
2. El módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la reivindicación 1, en el que los concentradores refractivos posteriores son del tipo parabólico compuesto cruzado (9).
3. El módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la reivindicación 1, en el que los concentradores refractivos posteriores son del tipo parabólico compuesto (10).
4. El módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la reivindicación 1, en el que los concentradores refractivos posteriores son del tipo parabólico compuesto con paredes de lente (11).
5. El módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la reivindicación 1, en el que los concentradores refractivos posteriores son del tipo canal en V cruzado (12).
6. El módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la reivindicación 1, en el que los concentradores refractivos posteriores son del tipo parabólico compuesto poligonal (13).
7. El módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la reivindicación 1, en el que los concentradores refractivos posteriores son del tipo hiperboloide elíptico cuadrado (14).
8. El módulo fotovoltaico bifacial semitransparente de la reivindicación 1, en el que los concentradores refractivos posteriores son del tipo parabólico compuesto de revolución (8).
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