IT201800020437A1 - Concentratore solare - Google Patents

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Donato Vincenzi
Paolo Decarli
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Description

DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
“CONCENTRATORE SOLARE”
La presente invenzione concerne un concentratore solare ed in particolare un concentratore solare a separazione spettrale per sistemi fotovoltaici. I sistemi fotovoltaici sono essenzialmente formati da una unità ottica per la concentrazione dei raggi solari, detta concentratore solare, da un convertitore fotovoltaico e da una unità di inseguimento solare.
Il concentratore solare provvede a focalizzare la radiazione solare sul convertitore fotovoltaico. Quest’ultimo generalmente comprende una o più celle fotovoltaiche collegate in serie tra di loro.
Per ottimizzare la loro dissipazione termica, le celle fotovoltaiche sono poste a contatto con una superficie posteriore del convertitore, la quale, per tale scopo, è realizzata con un materiale atto a trasmettere e dissipare il calore in eccesso, ad esempio metallo o vetro ad alta emissività.
L'architettura più semplice di un sistema fotovoltaico, largamente adottata nei pannelli solari di tipo commerciale, comprende una matrice di celle poste in prossimità della distanza focale di altrettante lenti e aventi il centro essenzialmente allineato con l'asse ottico della lente corrispondente.
Normalmente, al fine di limitare il peso e l'utilizzo di materiale ottico, in questa tipologia di sistemi fotovoltaici vengono utilizzate lenti di Fresnel di tipo rifrattivo.
Le lenti sono generalmente realizzate in materiale plastico (policarbonato o metacrilato) o, recentemente, anche in materiale siliconico direttamente depositato su vetro.
Lo svantaggio principale dei sistemi basati su lenti di Fresnel è legato al fatto che la radiazione luminosa attraversa il materiale di cui è costituita la lente accelerandone l’invecchiamento e provocando un indesiderato ingiallimento della lente stessa. Tale ingiallimento è responsabile di un parziale e indesiderato assorbimento della radiazione luminosa che produce una perdita di efficienza di conversione dell’intero sistema.
Per ovviare a questo problema sono stati sviluppati concentratori solari basati su componenti ottici a riflessione in cui il fenomeno dell’ingiallimento dei materiali è ridotto o assente.
In particolare è nota una architettura di concentratore solare, detta a doppia riflessione, la quale comprende un primo elemento ottico riflettente, detto collettore primario, ed un ulteriore elemento ottico riflettente, detto riflettore secondario.
Il riflettore secondario è generalmente definito da uno specchio convesso, il quale è mantenuto in una posizione fissa rispetto al collettore primario, ad esempio fissato al vetro frontale del concentratore solare che è esposto alla radiazione luminosa.
La tipica struttura del concentratore solare a doppia riflessione è derivata da quella utilizzata nei telescopi conosciuti come “Cassegrain”. I brevetti US2403660, US3158676, e FR2923302 descrivono telescopi che utilizzano questa configurazione.
I riflettori secondari sono responsabili di un cono d’ombra che viene proiettato sul collettore primario, il quale costituisce anche la cosiddetta pupilla d’ingresso del sistema ottico. Per questo motivo questi sistemi ottici vengono detti a pupilla d’ingresso oscurata.
A causa del cono d’ombra proiettato sul collettore, nei concentratori solari aventi pupilla d’ingresso oscurata la caustica generata è tipicamente caratterizzata da una regione ad irradianza ridotta.
Al fine di massimizzare l’efficienza di conversione delle celle utilizzate per la conversione fotovoltaica, i sistemi fotovoltaici a concentrazione a pupilla d’ingresso oscurata vengono generalmente dotati di omogeneizzatori di luce. Tali componenti hanno la funzione di uniformare il profilo di irradianza sul piano delle celle fotovoltaiche ed eliminare eventuali regioni ad irradianza ridotta o troppo elevata.
La soluzione più diffusa per uniformare il profilo di irradianza sul piano delle celle fotovoltaiche consiste nell’utilizzo di un tronco di piramide realizzato in materiale trasparente, generalmente vetro, avente la funzione di guida di luce.
Nei sistemi fotovoltaici a concentrazione che operano con omogeneizzatori come quello appena descritto, il piano focale corrisponde generalmente alla faccia d’ingresso dell’omogeneizzatore. Questo espediente fa sì che le riflessioni multiple che avvengono all’interno della guida per effetto della “riflessione totale interna” provochino un’omogeneizzazione del profilo di irradianza sulla faccia di uscita della guida. Al fine di convertire tutta la radiazione trasmessa dalla guida di luce e di disporre di un profilo di irradianza uniforme, si posiziona il dispositivo fotovoltaico in corrispondenza della faccia di uscita dell’omogeneizzatore. L’accoppiamento ottico tra i due componenti è generalmente ottenuto grazie ad un adesivo trasparente.
Gli omogeneizzatori a riflessione totale interna sono generalmente componenti solidi in vetro in quanto questo presenta caratteristiche di maggiore resistenza all’invecchiamento indotto dalla radiazione ultravioletta ed è più stabile ad alta temperatura.
Un’ulteriore forma realizzativa nota dell’omogeneizzatore è costituita da un tronco di piramide realizzato attraverso fogli riflettenti piani, piegati al fine di realizzare una cavità all’interno della quale la luce viene riflessa più volte e guidata verso le celle fotovoltaiche poste in prossimità della porta di uscita del componente.
In alcuni casi, la guida di luce viene realizzata in forma conica ed è ottenuta per imbutitura a freddo di una lastra di materiale riflettente.
Indipendentemente dalla forma che essa assume, la funzione che essa svolge è identica.
Tutti i componenti ottici che costituiscono un concentratore solare a doppia riflessione e dotato di omogeneizzatore necessitano di un allineamento relativo piuttosto preciso al fine di massimizzare l’efficienza di conversione del sistema. A tal scopo sono state sviluppate soluzioni diverse per il posizionamento dei componenti ottici che vanno da riferimenti meccanici da applicare al vetro frontale del concentratore a veri e propri componenti meccanici di allineamento.
Nei sistemi solari a concentrazione l’aspetto della semplicità di assemblaggio e della tolleranza del sistema ad eventuali lievi errori nel posizionamento dei componenti ottici, costituiscono fattori di estrema importanza in quanto influenzano direttamente il costo finale del sistema. In passato sono stati proposti micro-concentratori a doppia riflessione che sfruttano interamente il fenomeno della riflessione totale interna e che sono privi di omogeneizzatore.
La struttura semplificata di questi micro-concentratori risente meno del problema dell’allineamento tra i vari componenti ottici del sistema ma l’impossibilità di incorporare nella struttura di questi micro-concentratori una guida di luce avente le funzioni di omogeneizzatore limita l’accettanza angolare del sistema ottico e peggiora le prestazioni della cella. Inoltre, tale struttura non è adatta alla realizzazione di ampie superfici in quanto l’intero volume del concentratore è completamente riempito di materiale dielettrico tipicamente con densità compresa tra 1 e 3 g/cm3.
In questo contesto, compito precipuo della presente soluzione è ovviare ai suddetti inconvenienti.
Scopo della presente descrizione è quello di proporre un concentratore solare per sistemi fotovoltaici che sia nel contempo di elevata efficienza e tale per cui i singoli componenti siano assemblabili fra loro con elevata precisione e semplicità.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un concentratore solare per sistemi fotovoltaici come illustrato con riferimento agli uniti disegni in cui:
- la figura 1 illustra un concentratore solare secondo la presente descrizione, in una vista prospettica schematica;
- la figura 2 illustra il concentratore solare della figura 1 in una vista laterale schematica;
- la figura 3 illustra il concentratore solare delle figure precedenti, in una vista laterale schematica in cui si sono evidenziati i percorsi ottici dei raggi solari;
- la figura 4 illustra in vista prospettica un componente ottico del concentratore solare delle figure precedenti; e
- la figura 5 illustra una variante del concentratore solare delle figure precedenti in una vista laterale schematica.
Con riferimento alla figura 1, con il numero 10 è indicato nel suo complesso un concentratore solare per sistemi fotovoltaici secondo la presente invenzione.
Il concentratore solare 10 comprende una superficie frontale d’ingresso 7, mostrata in figura 2.
La superficie 7 è sostanzialmente piana ed è esposta alla radiazione solare 100.
Vantaggiosamente, la superficie di ingresso 7 è realizzata in materiale trasparente, preferibilmente in vetro, e permette di proteggere tutti i componenti ottici di cui è costituito il concentratore 10 dagli agenti atmosferici e dall’accumulo di polvere.
Il concentratore solare 10 comprende uno specchio primario concavo 1, in particolare parabolico e detto anche riflettore, ed un elemento ottico rifrattivo 2, entrambi posizionati dietro la superficie d’ingresso 7 o al di sotto della stessa osservando ad esempio la figura 2.
L’elemento ottico rifrattivo 2 è dotato di una superficie rifrattiva 23, di una superficie sostanzialmente riflettente 21 e di un supporto a forma di tronco di piramide a base poligonale 22 avente la funzione di guida di luce.
Complessivamente, l’elemento ottico rifrattivo 2 è realizzato in materiale sostanzialmente trasparente e ha un indice di rifrazione compreso tra 1 e 2.
La radiazione solare 100 riflessa dallo specchio primario concavo 1 viene inviata verso il componente ottico rifrattivo 2 e, in corrispondenza della superficie 23, subisce una rifrazione.
La superficie riflettente 21 è preferibilmente ricoperta da uno strato metallico ad alta riflettività ed è sagomata in modo da sfruttare vantaggiosamente il fenomeno della riflessione totale interna.
In particolare, come meglio illustrato in figura 4, la superficie rifrattiva 23 è definita da una sfera e la superficie riflettente 21 è definita da una cupola iperbolica rovesciata.
Lo specchio primario concavo 1 è configurato per concentrare la radiazione solare verso un punto o regione focale situata tra la superficie sostanzialmente riflettente 21 e la superficie di ingresso 7.
I raggi rifratti dalla superficie 23 vengono riflessi dalla superficie sostanzialmente riflettente 21 verso la guida di luce 22. Il fascio concentrato di raggi luminosi, indicato in figura 3 con il numero di riferimento 101, non subisce ulteriore rifrazione e quindi non è soggetto a perdite per riflessione.
All’interno della guida di luce 22 il fascio concentrato 101 subisce una riflessione totale interna e viene guidato verso una cella fotovoltaica 5, o ricevitore fotovoltaico 5, senza significativa perdita di intensità.
In particolare, la superficie riflettente 21 riflette la radiazione luminosa verso la guida di luce 22 che provvede alla omogeneizzazione del fascio e alla sua focalizzazione verso la cella fotovoltaica 5.
La cella fotovoltaica 5 è a contatto con la guida di luce 22 attraverso un adesivo ottico od un altro mezzo atto a promuovere l’adesione dei due oggetti e la trasmissione di luce.
La cella fotovoltaica 5 è, in uso, sottoposta a flussi luminosi dell’ordine di diverse decine di W/cm2 e questo comporta la necessità di dissipare parte di questo flusso energetico sotto forma di calore. Per questo motivo la cella fotovoltaica 5 è posta in contatto termico con la superficie di un supporto posteriore 6, che funge da dissipatore e che può essere costituito da una lastra di materiale ad alta emissività o da un dissipatore termico alettato.
Il concentratore 10 comprende mezzi meccanici 8 di allineamento ottico tra lo specchio primario concavo 1 e l’elemento ottico rifrattivo 2 in modo da assicurare un efficace allineamento dell’asse ottico dei due componenti. Questa soluzione permette di incrementare l’efficienza ottica del sistema e nel contempo semplifica le operazioni di assemblaggio.
In altre parole, il concentratore solare 10 comprende, in una forma di realizzazione esemplificativa:
- una superficie frontale d’ingresso 7, sostanzialmente piana e trasparente alla radiazione solare 100;
- uno specchio concavo 1, posizionato dietro la superficie frontale d’ingresso 7 per ricevere, riflettere e concentrare la radiazione solare 100; ed
- un elemento ottico rifrattivo 2 comprendente a sua volta:
- una superficie rifrattiva 23 esposta alla radiazione solare riflessa dallo specchio concavo 1;
- una superficie riflettente 21 esposta alla radiazione solare rifratta dalla superficie rifrattiva 23; ed
- una guida di luce 22 avente la funzione di guidare la radiazione solare concentrata 101, riflessa dalla superficie riflettente 21, verso almeno un ricevitore fotovoltaico 5.
In tale struttura, vantaggiosamente, l’elemento ottico rifrattivo 2 è realizzato in un unico blocco integrato, ossia in forma di monoblocco, e sono previsti mezzi meccanici di allineamento 8 tra l’elemento ottico rifrattivo 2 stesso e lo specchio concavo 1 per assicurare la sovrapposizione e il parallelismo tra gli assi ottici dei due componenti. Preferibilmente, i mezzi meccanici di allineamento 8 tra l’elemento ottico rifrattivo 2 stesso e lo specchio concavo 1 assicurano anche il corretto posizionamento di questi ultimi sulla superficie del supporto posteriore 6. Preferibilmente, l’elemento ottico rifrattivo 2 è realizzato tramite stampaggio ad iniezione in materiale plastico.
Preferibilmente lo specchio primario 1 è realizzato tramite stampaggio ad iniezione in materiale plastico.
Preferibilmente sia l’elemento ottico rifrattivo 2 che lo specchio primario 1 sono realizzati tramite stampaggio ad iniezione in materiale plastico.
Preferibilmente, i sopracitati mezzi meccanici di allineamento 8 sono realizzati in forma integrata nello stampaggio dell’elemento ottico rifrattivo 2 e/o dell’detto specchio primario 1.
In una forma realizzativa, l’elemento ottico rifrattivo 2, lo specchio primario 1 e i mezzi meccanici di allineamento 8 sono realizzati in forma integrata, ossia in forma di monoblocco, tramite stampaggio ad iniezione in materiale plastico.
In tutti i casi, lo specchio primario 1 e l’elemento ottico rifrattivo 2 sono preferibilmente fissati solidalmente alla superficie del supporto posteriore 6.
Il supporto posteriore 6 funge preferibilmente da supporto e dissipatore termico per il ricevitore fotovoltaico 5 e può essere dotato di riferimenti meccanici per assicurare il corretto posizionamento relativo di specchio primario 1, elemento ottico rifrattivo 2 e ricevitore fotovoltaico 5.
Nel funzionamento, lo specchio primario parabolico funge da collettore solare, mentre l’elemento ottico rifrattivo integrato funge da riflettore secondario, da guida di luce e da omogeneizzatore, riflettendo la radiazione focalizzata dallo specchio primario verso il ricevitore fotovoltaico e mantenendola confinata al suo interno grazie al fenomeno della riflessione totale interna. L’elemento ottico rifrattivo integrato, che è vantaggiosamente autoportante e autoallineante e viene posto a diretto contatto con il ricevitore fotovoltaico, provvede ad illuminare quest’ultimo con densità uniforme.
In tale contesto, l’elemento ottico rifrattivo integrato ha vantaggiosamente una triplice funzione: quella di costituire il riflettore secondario, la guida di luce e l’elemento di centraggio tra lo specchio primario e il ricevitore fotovoltaico. Uno dei principali problemi dei sistemi ottici a doppia riflessione è infatti costituito dall’allineamento tra l’ottica primaria di focalizzazione, l’ottica secondaria e il ricevitore fotovoltaico. L’utilizzo di un unico elemento ottico integrato che permetta di assolvere a queste tre funzioni, ossia di riflettore secondario, guida di luce e elemento di centraggio, costituisce pertanto un elemento di indubbio vantaggio tecnologico.
Il concentratore solare sopra descritto assicura quindi una elevata precisione di allineamento, oltre che una elevata semplicità di assemblaggio, dei diversi componenti del sistema, in particolare dello specchio primario, dell’elemento ottico rifrattivo nel suo complesso e del ricevitore fotovoltaico.
In figura 5 viene mostrata una ulteriore forma realizzativa del concentratore solare oggetto della presente descrizione.
In tale forma realizzativa, la porzione finale della guida di luce 22 è terminata a 45° ed è ricoperta da un film a selettività spettrale che permette di trasmettere una porzione dello spettro della radiazione luminosa ad un primo ricevitore fotovoltaico 5 e la porzione ad essa complementare ad un secondo ricevitore fotovoltaico 55. La scelta della lunghezza d’onda di taglio del film a selettività spettrale permette di ottimizzare la sovrapposizione tra la densità spettrale di potenza incidente su ciascuna cella e la risposta spettrale della cella stessa.
In altre parole, la guida di luce 22 è dotata nella sua parte finale di un sistema di separazione spettale della radiazione solare basato su un film dicroico. Tale sistema di separazione spettrale è disposto e conformato per trasmettere una prima porzione spettrale della radiazione solare concentrata 101 ad un primo ricevitore fotovoltaico 5 e a riflettere una seconda porzione spettale, complementare alla prima porzione spettale, verso un secondo ricevitore fotovoltaico 55.
Tale espediente permette di massimizzare l’efficienza di conversione e di rendere questo sistema fotovoltaico più tollerante al fenomeno della variazione diurna e stagionale dello spettro della radiazione incidente (spectral mismatch).

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Concentratore solare per sistemi fotovoltaici comprendente: - una superficie frontale d’ingresso (7), sostanzialmente piana e trasparente alla radiazione solare (100); - uno specchio concavo (1), posizionato dietro la superficie frontale d’ingresso (7) per ricevere, riflettere e concentrare la radiazione solare (100); ed - un elemento ottico rifrattivo (2) comprendente a sua volta: - una superficie rifrattiva (23) esposta alla radiazione solare riflessa dallo specchio concavo (1); - una superficie riflettente (21) esposta alla radiazione solare rifratta dalla superficie rifrattiva (23); ed - una guida di luce (22) avente la funzione di guidare la radiazione solare concentrata (101), riflessa dalla superficie riflettente (21), verso almeno un ricevitore fotovoltaico (5); caratterizzato dal fatto che l’elemento ottico rifrattivo (2) è realizzato in un unico blocco integrato e che sono previsti mezzi meccanici di allineamento (8) tra l’elemento ottico rifrattivo (2) stesso e lo specchio concavo (1) per assicurare la sovrapposizione e il parallelismo tra gli assi ottici dei due componenti.
  2. 2. Concentratore solare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’elemento ottico rifrattivo (2) è realizzato tramite stampaggio ad iniezione in materiale plastico.
  3. 3. Concentratore solare secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che lo specchio primario (1) è realizzato tramite stampaggio ad iniezione in materiale plastico.
  4. 4. Concentratore solare secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi meccanici di allineamento (8) sono realizzati in forma integrata nello stampaggio di detto elemento ottico rifrattivo (2) e/o di detto specchio primario (1).
  5. 5. Concentratore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che lo specchio primario (1) e l’elemento ottico rifrattivo (2) sono fissati solidalmente ad una superficie di un supporto posteriore (6), il quale funge da supporto e dissipatore termico per il ricevitore fotovoltaico (5) ed è dotato di riferimenti meccanici per assicurare il corretto posizionamento relativo di specchio primario (1), elemento ottico rifrattivo (2) e ricevitore fotovoltaico (5).
  6. 6. Concentratore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la guida di luce (22) è dotata nella sua parte finale di un sistema di separazione spettale della radiazione solare basato su un film dicroico; detto sistema di separazione spettrale essendo disposto e conformato per trasmettere una prima porzione spettrale della radiazione solare concentrata (101) ad un primo ricevitore fotovoltaico (5) e a riflettere una seconda porzione spettale, complementare a detta prima porzione spettale, verso un secondo ricevitore fotovoltaico (55).
  7. 7. Sistema fotovoltaico, incorporante al suo interno almeno un concentratore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 6.
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