ITBO20120348A1 - Concentratore solare. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

CONCENTRATORE SOLARE.

La presente invenzione ha per oggetto un concentratore solare ed in particolare un concentratore solare afocale per applicazioni fotovoltaiche.

I sistemi solari fotovoltaici sono schematicamente costituiti da un sistema ottico di concentrazione o concentratore solare, da un convertitore fotovoltaico e da un sistema di inseguimento solare. Il sistema ottico di concentrazione provvede a focalizzare, direttamente o indirettamente, la radiazione solare sul convertitore fotovoltaico che tipicamente comprende una o più celle fotovoltaiche collegate in serie tra di loro.

Per ottimizzare la dissipazione termica delle celle fotovoltaiche à ̈ utile che esse siano in contatto con la superficie posteriore del convertitore, tipicamente costituita di un materiale ad elevata conducibilità termica (metallo o altro) .

L'architettura più semplice 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. Questa configurazione à ̈ ampiamente documentata in letteratura e largamente adottata in pannelli solari a concentrazione di tipo commerciale. Normalmente, al fine di limitare il peso e l'utilizzo di materiale ottico, in questa tipologia di moduli 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.

Lo svantaggio principale dei sistemi basati su lenti di Fresnel à ̈ legato al fatto che la radiazione luminosa attraversa il materiale di cui à ̈ costituita la lente accelerandone l’invecchiamento e provocando un indesiderato ingiallimento della lente. Tale ingiallimento à ̈ 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 si sono sviluppati sistemi ottici di concentrazione basati su componenti ottici a riflessione in cui il fenomeno dell’ingiallimento dei materiali à ̈ ridotto o assente.

I sistemi basati su componenti ottici a riflessione hanno il vantaggio di essere decisamente più immuni all’invecchiamento dei materiali dovuto alla componente UV della radiazione solare.

Tra le varie tipologie di concentratori solari à ̈ possibile individuare alcune architetture che interpongono tra il collettore primario e la sorgente solare il ricevitore fotovoltaico o un secondo elemento ottico avente funzione di riflettore (riflettore secondario).

Il riflettore à ̈ tipicamente costituito da uno specchio convesso attaccato al vetro frontale del concentratore o modulo - esposto alla radiazione solare - o comunque mantenuto in una posizione fissa rispetto al collettore primario da strutture meccaniche realizzate per lo scopo.

La tipica struttura del concentratore solare a doppia riflessione à ̈ derivata da quella utilizzata nei telescopi conosciuti come “Cassegrain†.

I riflettori secondari, interposti tra la sorgente solare e il collettore primario sono responsabili di un cono d’ombra che viene proiettato sul collettore primario, il quale costituisce anche la 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 aventi pupilla d’ingresso oscurata la caustica generata à ̈ tipicamente caratterizzata da una regione ad irradianza ridotta.

Al fine di massimizzare l’efficienza di conversione delle celle solari utilizzate per la conversione fotovoltaica, i sistemi solari a concentrazione vengono spesso 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.

E’ noto in letteratura che vengano utilizzati diversi sistemi atti a omogeneizzare la distribuzione di irradianza sul piano del dispositivo fotovoltaico in modo da permettere a quest’ultimo di operare nella condizioni più favorevoli. Il sistema più diffuso 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 si 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 à ̈ generalmente ottenuto grazie ad un adesivo trasparente.

Gli omogeneizzatori a riflessione totale interna sono generalmente componenti massivi in vetro che, a seguito di urti, possono distaccarsi dal dispositivo fotovoltaico a cui sono accoppiati. Questo fenomeno indesiderato può essere evitato facendo uso di strutture meccaniche atte a supportare l’omogeneizzatore a riflessione totale interna, che eventualmente possono assurgere alla funzione di elementi di centraggio e allineamento tra il ricevitore fotovoltaico – solidale all’omogeneizzatore – e il collettore principale.

Un ulteriore forma realizzativa dell’omogeneizzatore à ̈ 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 à ̈ ottenuta per imbutitura a freddo di una lastra di materiale riflettente. Indipendentemente dalla forma che essa assume, la funzione che essa svolge à ̈ identica.

Tutti i componenti ottici che costituiscono in concentratore fotovoltaico 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.

La possibilità di rendere un sistema fotovoltaico a concentrazione più tollerante ad eventuali errori di montaggio o di disallineamento à ̈ di estrema importanza pratica ed economica.

Forma oggetto della presente invenzione un concentratore solare che permette di unire semplicità di assemblaggio ed elevata efficienza ottica, e consiste nell’accoppiamento di un riflettore parabolico avente funzione di collettore solare con un riflettore piano, solidale e complanare con il vetro d’ingresso del concentratore. La radiazione luminosa concentrata dal riflettore parabolico e riflessa dallo specchio piano incide su un elemento ottico rifrattivo (lente) che riduce la divergenza dei raggi luminosi e facilita l’accoppiamento con una guida di luce posizionata tra detto elemento ottico rifrattivo e il ricevitore fotovoltaico. La guida di luce ha una doppia funzione: quella di sorreggere e allineare all’asse ottico del concentratore l’elemento ottico rifrattivo, e quella di convogliare tramite riflessioni multiple la radiazione solare incidente sull’elemento ottico rifrattivo verso il ricevitore fotovoltaico. La posizione e la lunghezza focale dell’elemento ottico rifrattivo sono tali da rendere il sistema ottico essenzialmente afocale, ovvero la radiazione che fuoriesce da detto elemento ottico rifrattivo à ̈ focalizzata all’infinito. Questa soluzione permette di ridurre significativamente l’angolo rispetto all’asse ottico della radiazione diretta verso le celle e, di conseguenza, il numero di riflessioni che detta radiazione ha in corrispondenza delle superfici interne della guida di luce.

In taluni casi, il ricevitore fotovoltaico à ̈ costituito da più sotto-ricevitori realizzati in materiali semiconduttori diversi, accoppiati otticamente grazie ad un filtro dicroico (o specchio dicroico) che separa le componenti cromatiche dello spettro solare e ne invia distinte porzioni sui diversi sotto-ricevitori. Suddetto ricevitore à ̈ normalmente realizzato tramite un filtro dicroico posto a 45° rispetto all’asse ottico e, per le note proprietà dei filtri dicroici, suddivide lo spettro della radiazione incidente in due componenti: una che procede sostanzialmente parallelamente all’asse ottico, mentre l’altra che procede a 90° rispetto all’asse ottico. Questa particolare configurazione rende impossibile che i due ricevitori fotovoltaici siano posti in corrispondenza della apertura d’uscita della guida di luce e di conseguenza à ̈ essenziale per catturare la maggior parte della radiazione solare all’uscita della guida di luce che essa abbia una divergenza rispetto all’asse ottico ridotta come con il concentratore secondo la presente invenzione. Se così non fosse, infatti,parte della radiazione luminosa investirebbe un area esterna a quella del ricevitore fotovoltaico e quindi non potrebbe essere convertita in energia elettrica.

Questa ed altre caratteristiche risulteranno maggiormente evidenziate dalla descrizione seguente di una preferita forma realizzativa, illustrata a puro titolo esemplificativo e non limitativo nelle unite tavole di disegno, in cui:

- la figura 1 illustra un sistema a concentrazione comprendente un concentratore solare secondo la presente invenzione, in una vista laterale schematica;

- la figura 2 illustra il concentratore solare della figura 1 in una vista prospettica schematica parzialmente in esploso;

- la figura 3 illustra il concentratore solare delle figure precedenti, in una vista prospettica schematica in esploso con alcune parti asportate per maggiore chiarezza;

- la figura 4 illustra un particolare del concentratore solare delle figure precedenti in una vista laterale schematica in esploso;

- la figura 5 illustra una secondo particolare del concentratore solare secondo la presente invenzione, in una vista prospettica schematica;

- la figura 6 illustra un terzo particolare del concentratore solare secondo la presente invenzione, in una vista prospettica schematica in esploso;

- la figura 7 illustra un pannello fotovoltaico comprendente una pluralità di concentratori solari secondo la presente invenzione in una vista prospettica schematica.

Con riferimento alle figure allegate, con il numero 100 Ã ̈ indicato un concentratore solare secondo la presente invenzione.

Il concentratore solare 100 per applicazioni fotovoltaiche comprende una superficie d’ingresso 101. La superficie 101 à ̈ sostanzialmente piana ed à ̈ esposta alla radiazione solare 110.

Una prima regione 201 risulta compresa tra la sorgente solare 102 e la superficie di ingresso 101.

Il concentratore 100 comprende uno specchio o riflettore o concavo 103, posizionato dietro detta superficie d’ingresso 101.

Lo specchio concavo 103 à ̈ configurato per concentrare la radiazione solare verso un punto o regione focale 301. Il punto focale 301 à ̈ posizionato all’interno della prima regione.

Una seconda regione 202 à ̈ definita compresa tra detta superficie d’ingresso 101 e la superficie riflettente di detto specchio concavo 103.

Vantaggiosamente, la superficie di ingresso 101 à ̈ realizzata in materiale trasparente e permette di proteggere tutti i componenti ottici presenti nella seconda regione 202 dagli agenti atmosferici e dall’accumulo di polvere.

Il concentratore 100 comprende una superficie riflettente o riflettore 104.

La superficie riflettente 104 à ̈ sostanzialmente piana e parallela alla superficie d’ingresso 101. La superficie riflettente 104 riflette la radiazione solare proveniente dallo specchio concavo 103 verso un punto 302 – secondo punto focale - posizionato all’interno di detta seconda regione 202.

In particolare, il punto 302 Ã ̈ localizzato simmetricamente opposto rispetto alla superficie riflettente.

In una forma di realizzazione, la superficie riflettente 104 Ã ̈ costituita da un film adesivo attaccato alla superficie di ingresso 101 esposta alla radiazione solare.

Il concentratore 100 comprende un elemento ottico rifrattivo 105, posizionato all’interno della seconda regione 202.

L’elemento ottico rifrattivo 105 à ̈ posizionato in prossimità del punto 302 simmetricamente opposto rispetto alla superficie riflettente 104 in modo da focalizzare la radiazione luminosa incidente su di essa in un punto posto a distanza sostanzialmente infinita da detta lente.

Preferibilmente, l’elemento ottico rifrattivo 105 à ̈ costituito da una lente.

Nella preferita forma di realizzazione, l’elemento ottico rifrattivo 105, in particolare la lente che lo definisce,à ̈ posto in prossimità della regione focale dello specchio concavo 103.

Il concentratore 100 comprende una struttura 106 di materiale sostanzialmente riflettente, posizionata in nella seconda regione 202.

La struttura 106 sostiene detto elemento ottico rifrattivo 105 e provvede a confinare lateralmente la radiazione luminosa uscente dalla medesima.

La struttura 106 à ̈ provvista di una sede elastica 109 per alloggiare l’elemento ottico rifrattivo 105.

Vantaggiosamente, la sede elastica 109 permette all’elemento 105 di espandersi liberamente per effetto termico.

Forma oggetto della presente invenzione anche un sistema solare a concentrazione comprendente un concentratore solare 100 come descritto in precedenza.

Il sistema solare comprende un ricevitore 107 fotovoltaico comprendente una pluralità di celle fotovoltaiche 108.

Il ricevitore 107 à ̈ sostanzialmente piano ed à ̈ posizionato in modo che la radiazione luminosa in uscita dalla struttura 106 risulti indirizzata verso le celle fotovoltaiche.

In una forma di realizzazione, il ricevitore fotovoltaico 107 comprende uno specchio dicroico avente la funzione di separare le componenti cromatiche dello spettro solare in bande distinte che vengono riflesse verso due o più gruppi di celle fotovoltaiche 108 di diverso materiale semiconduttore.

In una forma di realizzazione, la citata struttura 106 Ã ̈ accoppiata otticamente con una fibra ottica avente la funzione di guidare la radiazione luminosa verso un ricevitore fotovoltaico 107 posizionato un una regione distante dal concentratore solare 100.

La figura 1 rappresenta il concentratore solare 100 dove una radiazione solare 110 viene riflessa dal riflettore concavo 103 verso la regione focale 301 generando un fascio luminoso. Tra il riflettore concavo 103 e la regione focale 301 à ̈ interposto il riflettore piano 104, preferibilmente disposto parallelo alla superficie d’ingresso 101 del concentratore solare.

Il riflettore piano 104 riflette tale fascio luminoso verso un secondo punto focale 302 che giace nella regione 202 compresa la superficie di ingresso 101 del concentratore 100 e il riflettore concavo 103. In questo modo, la radiazione luminosa concentrata dal riflettore concavo 103 non viene indirizzata verso il punto focale 301 – i raggi sono stati rappresentati con linee tratteggiate – ma viene riflessa verso il secondo punto focale 302. Come risulta chiaro dalla figura 2, la radiazione direzionata verso il secondo punto focale 302 à ̈ successivamente rifratta e riflessa verso il ricevitore fotovoltaico 107 comprendente le celle fotovoltaiche 108.

La figura 2 rappresenta in maniera più chiara i componenti che costituiscono il concentratore solare 100. La superficie di ingresso 101 del concentratore à ̈ generalmente costituita da un vetro o da altro materiale trasparente e ha la funzione di proteggere e isolare i componenti ottici contenuti all’interno della regione 202 dagli agenti atmosferici esterni. Solidalmente alla superficie di ingresso 101 à ̈ fissato il riflettore piano 104. Questo riflettore à ̈ definito da uno specchio in vetro metallizzato o, più preferibilmente, come accennato, da un film adesivo ad elevata riflettività. La radiazione solare riflessa dallo specchio piano 104 viene rifratta dal componente ottico rifrattivo 105 che à ̈ ad esempio costituito da una lente, preferibilmente di tipo convergente e ancora più preferibilmente di tipo sferico. La posizione dell’elemento ottico rifrattivo 105 à ̈ scelta opportunamente in modo che la radiazione luminosa in uscita da detto componente ottico rifrattivo 105 risulta focalizzata all’infinito e forma un angolo rispetto all’asse ottico ridotto, se confrontato con la divergenza della radiazione solare in uscita dal concentratore concavo 103. Detta radiazione solare in uscita dall’elemento ottico rifrattivo 105 viene convogliata dalla struttura 106 di materiale riflettente – avente funzione di guida di luce – verso il ricevitore fotovoltaico 107, posto preferibilmente dietro il concentratore concavo 103, e costituito da una o più celle fotovoltaiche 108. La radiazione luminosa concentrata dal riflettore concavo 103 viene successivamente convertita in energia elettrica dalle celle fotovoltaiche 108. In virtù del fattore di concentrazione ottica del sistema, l’area del materiale semiconduttore che opera la conversione fotovoltaica à ̈ molto minore rispetto all’area di collezione e rende conveniente l’utilizzo di celle fotovoltaiche ad alta efficienza, non utilizzabili altrimenti in pannelli piani.

Nella figura 3 sono state rimosse, per chiarezza, la superficie di ingresso 101 e la struttura riflettente 106. In questa figura l’elemento ottico rifrattivo 105 à ̈ ad esempio costituito da una lente piano-convessa, preferibilmente in vetro o in altro materiale resistente a temperature elevate. Il riflettore piano 104 à ̈ affacciato all’elemento ottico rifrattivo 105 ed à ̈ solidale alla superficie di ingresso 101 non visibile in figura. Dietro il concentratore concavo 103 viene posto il ricevitore fotovoltaico, sul quale vengono saldate con le tecniche note le celle fotovoltaiche 108.

Nella figura 4 viene mostrato un esploso della struttura ottica di concentrazione secondaria: la radiazione luminosa concentrata dal riflettore concavo 103 – non mostrato in figura – viene intercettata dal riflettore piano 104 e riflessa verso l’elemento ottico rifrattivo 105. A titolo esemplificativo, in questo caso l’elemento ottico rifrattivo 105 à ̈ rappresentato da una lente piano-convessa. Questa lente viene mantenuta nella posizione corretta da una struttura in materiale riflettente 106 che ha la funzione di supporto meccanico per l’elemento 105 e di guida di luce per la radiazione rifratta dallo stesso. La radiazione solare viene convogliata e omogeneizzata dalla struttura 106 verso il ricevitore fotovoltaico 107 su cui à ̈ saldata una o più celle fotovoltaiche. In questo caso particolare viene rappresentata a titolo esemplificativo un solo dispositivo fotovoltaico 108.

In figura 5 viene rappresentata una particolare forma realizzativa di una porzione dello specchio concavo 103. Per motivi pratici, a volte risulta conveniente che lo specchio concavo 103 venga composto da spicchi o quadranti come rappresentato in figura. Questi spicchi possono essere realizzati con le tecniche note all’esperto del ramo come termoformatura, lavorazione per asportazione di materiale, stampaggio ad iniezione, ecc. Il riflettore concavo 103 o eventualmente ciascuno dei suoi spicchi o quadranti può essere dotato di colonne 111 di fissaggio per facilitare il posizionamento del componente su una base di riferimento. Questa soluzione rende l’assemblaggio particolarmente semplice e vantaggioso. Il riflettore concavo 103 à ̈ preferibilmente dotato di riferimenti meccanici 112 per il centraggio dell’asse ottico della struttura 106 – non rappresentata in questa figura – rispetto all’asse ottico del concentratore concavo 103. Anche questa soluzione permette di ridurre le tolleranze e nel semplificare le procedure di assemblaggio del concentratore solare.

Nella figura 6 viene rappresentata una particolare forma realizzativa della struttura riflettente 106 avente funzione di guida di luce. In questo caso esemplificativo la struttura riflettente 106 comprende due metà che vengono unite rispetto ad uno dei piani di simmetria della struttura. Questa soluzione permette di realizzare il componente per imbutitura a freddo, partendo da lamierini riflettenti di alluminio o di altro materiale duttile. Tramite il processo di tranciatura e piegatura à ̈ possibile ricavare nella struttura riflettente 106 anche dei piedi di fissaggio 113 per rendere tale componente solidale alla base di montaggio del concentratore – non mostrata in figura. L’utilizzo di piedi di fissaggio 113 e di riferimenti meccanici 112 nel concentratore concavo 103 permette di assicurare un corretto allineamento della struttura riflettente rispetto all’asse ottico del concentratore concavo 103 senza la necessità di alcuna taratura in fase di assemblaggio del sistema.

Nella figura 7 viene mostrato a titolo esemplificativo un pannello fotovoltaico comprendente sette concentratori solari 100 affiancati l’uno all’altro. Tutti i concentratori 100 in questo caso sono montati sulla medesima base – non mostrata in figura – che funge da piano di riferimento. In figura non viene mostrata la superficie in vetro 101che à ̈ unica per tutti i concentratori solari 100.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un concentratore solare (100) per applicazioni fotovoltaiche comprendente: - una superficie d’ingresso (101), sostanzialmente piana esposta alla radiazione solare (110) che individua una prima regione compresa (201) tra la sorgente solare (102) e detta superficie di ingresso (101); - uno specchio concavo (103), posizionato dietro detta superficie d’ingresso (101) in grado di concentrare la radiazione solare verso un punto focale (301) posizionato all’interno di detta prima regione (201), detto specchio concavo (103) individuando una seconda regione (202) compresa tra detta superficie d’ingresso (101) e la superficie riflettente di detto specchio concavo (103), detto concentratore comprendendo - una superficie riflettente (104), sostanzialmente piana e parallela a detta superficie d’ingresso (101), che riflette la radiazione solare proveniente da detto specchio concavo (103) verso un punto (302) posizionato all’interno di detta seconda regione (202), simmetricamente opposto rispetto a tale superficie riflettente (104); - un elemento ottico rifrattivo (105), posizionato all’interno di detta seconda regione (202), in prossimità di detto punto (302) simmetricamente opposto rispetto a detta superficie riflettente (104) sostanzialmente piana, avente la funzione di focalizzare la radiazione luminosa incidente su di essa in un punto posto a distanza sostanzialmente infinita da detta lente; - una struttura di materiale sostanzialmente riflettente (106), posizionata in detta seconda regione (202), che sostiene detto elemento ottico rifrattivo (105) e provvede a confinare lateralmente la radiazione luminosa uscente dalla medesima.
2. 2. Un concentratore solare secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento ottico rifrattivo (105) à ̈ costituito da una lente, posta in prossimità della regione focale dello specchio concavo.
3. 3. Un concentratore solare secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la superficie d’ingresso (101), sostanzialmente piana esposta alla radiazione solare, à ̈ costituita da un materiale trasparente.
4. 4. Un concentratore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la struttura di materiale sostanzialmente riflettente (106) à ̈ provvista di una sede elastica (109) per alloggiare l’elemento ottico rifrattivo.
5. 5. Un concentratore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la superficie riflettente (106) sostanzialmente piana à ̈ costituita da un film adesivo attaccato alla superficie di ingresso esposta alla radiazione solare.
6. 6. Sistema solare a concentrazione caratterizzato dal fatto di comprendere un concentratore solare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti ed un ricevitore sostanzialmente piano (107) comprendente almeno una cella fotovoltaica (107) verso cui à ̈ indirizzata la radiazione luminosa in uscita da detta struttura in materiale riflettente (106).
7. 7. Sistema solare a concentrazione secondo la rivendicazione 6 in cui il ricevitore fotovoltaico (107) comprende uno specchio dicroico avente la funzione di separare le componenti cromatiche dello spettro solare in bande distinte che vengono riflesse verso due o più gruppi di celle fotovoltaiche (108) di diverso materiale semiconduttore.
8. 8. Sistema solare a concentrazione secondo la rivendicazione 6 o 7, comprendente una fibra ottica operativamente attiva fra detta struttura di materiale sostanzialmente riflettente (106) e detto ricevitore fotovoltaico, detta struttura di materiale sostanzialmente riflettente (106) essendo accoppiata otticamente con la fibra ottica avente la funzione di guidare la radiazione luminosa verso detto ricevitore fotovoltaico (107), detto ricevitore fotovoltaico essendo in particolare posizionato in una regione distante dal concentratore solare (100).