ITMI20011653A1 - Dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale:

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari.

I dispositivi di alimentazione elettrica a celle solari comprendono principalmente uno o più pannelli fotovoltaici capaci di generare forza elettromotrice in seguito all'assorbimento di radiazioni luminose; il fenomeno consiste nell'insorgenza di detta forza elettromotrice in un mezzo (per esempio un semiconduttore non omogeneo) investito da radiazioni elettromagnetiche .

Un pannello fotovoltaico di tipo tradizionale presenta una molteplicità di celle solari montate manualmente o mediante apposite macchine su substrati generici.

Le celle solari sono connesse elettricamente tra loro per mezzo di connettori metallici di piccole dimensioni, in modo da costituire complessivamente una rete di alimentazione elettrica.

Le celle solari e il circuito di pilotaggio annesso trasformano la radiazione solare in energia elettrica, la cui tensione dipende dal numero di celle solari connesse elettricamente in serie; quindi, la potenza di uscita massima di un pannello fotovoltaico di una data dimensione si ottiene massimizzando la densità di impaccamento delle celle solari sull'area del substrato esposta alla radiazione elettromagnetica. Le modalità con cui le celle solari sono fisicamente ed elettricamente disposte variano normalmente a seconda dell 'applicazione prevista e dipendono da vari fattori quali le dimensioni del substrato ed i requisiti elettrici richiesti. Quindi, la costruzione di tali pannelli fotovoltaici, connessa all'esigenza di massimizzare la forza elettromotrice prodotta, minimizzando al tempo stesso le dimensioni complessive del pannello, il peso e conseguentemente il costo di produzione, presenta tuttora numerose difficoltà alle quali sarebbe necessario porre un rimedio.

Una delle principali difficoltà riscontrate è costituita dal fatto di poter effettuare e mantenere nel tempo un gran numero di connessioni elettriche (quelle richieste dalla particolare applicazione) tra le varie celle solari e tra le suddette celle solari e gli altri componenti elettronici presenti nella rete di alimentazione e distribuzione dell'energia elettrica al carico, di cui il pannello fotovoltaico fa parte. Normalmente, tali connessioni sono realizzate con metallo sottile, spesso in rotoli, o per mezzo di linguette conduttrici che devono essere collegate singolarmente e che possono risultare di conseguenza estremamente fragili e difficili da saldare .

Ciò dà origine ad un pannello fotovoltaico notevolmente costoso e di difficoltosa costruzione, il che si traduce inevitabilmente in una lavorazione costosa e, conseguentemente, in un complesso processo di realizzazione.

Inoltre, le celle solari utilizzate spesso presentano i loro terminali positivi e negativi sulle facce opposte della cella; perciò, si inpiegano solitamente disposizioni di celle interconnesse in serie in modo tale che il terminale positivo di una cella sia collegato elettricamente al terminale negativo di quella immediatamente successiva.

Scopo della presente invenzione è, quindi, quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati e, in particolare, quello di realizzare un dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, che consenta la costruzione di un pannello fotovoltaico estremamente affidabile e relativamente poco costoso rispetto ai pannelli tradizionali.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare un dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, che permetta di realizzare un pannello fotovoltaico notevolmente semplice da costruire.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, che preveda la possibilità di massimizzare la densità di impaccamento delle celle solari sul pannello fotovoltaico, in modo tale da massimizzare di conseguenza la forza elettromagnetica accumulata, riducendo contemporaneamente le dimensioni e il peso del pannello stesso; tale scopo è particolarmente inportante nel caso in cui il pannello fotovoltaico sia utilizzato per applicazioni satellitari o spaziali, secondo cui è essenziale ottenere una ottima utilizzazione dell'area disponibile del substrato su cui sono montate le celle solari del pannello.

Non ultimo scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, che utilizzi un substrato altamente affidabile dal punto di vista elettrico e mezzi di connessione circuitale che possano essere montati su tipi diversi di pannelli progettabili per qualsiasi valore di potenza elettrica in uscita.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, secondo la rivendicazione 1.

In modo vantaggioso, secondo l'invenzione, le celle solari sono saldate direttamente su un substrato di vetronite o su una basetta di circuito stampato multistrato o a singola o doppia faccia; anche le connessioni tra le varie celle, così come le connessioni elettriche tra le celle solari ed altri elementi circuitali, sono ricavate su detto substrato.

Altro vantaggio di questo nuovo modo di assiemare sta nella possibilità di rendere modulabili i pannelli che, in questo caso, potranno essere standard: mediante incastro o manovra equivalente o con cerniere rese all'uopo conduttive potranno essere fatti pannelli abbinatili e piegabili a libro e modulabili con vantaggi enormi in termini di spazio.

Il pannello fotovoltaico è conposto in particolare da celle solari di tipo mono o policristalline, che sono montate sulla faccia anteriore (quella esposta alle radiazioni solari) del pannello, in modo da facilitare le connessioni elettriche in serie tra le varie celle.

Ulteriori piste conduttive e componenti elettronici possono essere realizzati e montati sulla faccia posteriore (e, per applicazioni particolari, anche su quella anteriore) del pannello, in modo che tali conponenti possano essere facilmente connessi sia dal punto di vista elettrico che dal punto di vista meccanico al pannello fotovoltaico realizzato secondo la presente invenzione.

Ciò permette di giungere a massime densità di impaccamento delle celle solari sull'intera superficie anteriore disponibile. Inoltre, la circuiteria elettrica del circuito stampato viene generalmente realizzata in modo tale che le celle solari siano connesse in serie dal punto di vista elettrico.

Un'altra caratteristica vantaggiosa della forma realizzativa preferita dell 'invenzione prevede il montaggio semplice ed affidabile delle celle solari sul circuito stampato, realizzando un contatto elettrico che, a seconda dei casi, può essere costituito da una sostanza adesiva elettricamente conduttiva o da una pasta saldante, anch'essa elettricamente conduttiva.

Il pannello fotovoltaico montato e realizzato sul circuito stampato secondo la presente invenzione è composto da celle solari di tipo mono o policristalline connesse in serie o in parallelo, sfruttando le piste e le piazzole conduttive di tale circuito stampato.

Ulteriori incrementi in termini di corrente e di potenza possono essere raggiunti dotando il pannello fotovoltaico di opportune "lenti di Fresnel" o mezzi equivalenti atti a concentrare in punti prefissati del pannello la radiazione solare. Altri scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 è una vista frontale schematica di un substrato di circuito stampato, su cui vengono depositati strati conduttivi, al fine di realizzare un pannello fotovoltaico utilizzabile per la costruzione del dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, secondo la presente invenzione; - la figura 2 è una vista frontale schematica di un dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, secondo l'invenzione .

Una forma realizzativa esemplificativa e preferita di una porzione di pannello fotovoltaico costruito secondo la presente invenzione è mostrata generalmente nelle figure 1-2; è ovvio che le dimensioni del pannello potranno essere le più svariate, a seconda delle dimensioni del tipo di cella, delle dimensioni delle parti ricavate da ciascuna di esse e del numero stesso di celle utilizzate per l'accumulo di forza elettromotrice da inviare al carico.

Come mostrato chiaramente in figura 1, il pannello fotovoltaico 10 di cui alla presente invenzione comprende generalmente un substrato 11, di forma normalmente quadrata o rettangolare, in vetronite o costituito da una basetta di circuito stampato multistrato oppure a singola o doppia faccia. Sulla superficie anteriore del substrato 11 sono montate una pluralità di celle solari 12, preferibilmente disposte in colonne complanari e parallele l'una rispetto all'altra.

Il substrato 11 prevede’ la costruzione di una pluralità di conduttori elettrici, che compongono una rete di conduzione elettrica terminante in poli o terminali elettrici 13, 14, rispettivamente positivo e negativo, ai quali è collegato un connettore 15, che potrà essere opportunamente accoppiato al carico a cui fornire la potenza elettrica necessaria accumulata dal pannello 10.

Le piste conduttive 16 della rete di connessione elettrica realizzata sul substrato 11 connettono le celle solari tra loro e permettono di collegare ulteriormente gli altri componenti elettronici, se presenti, del circuito.

In forme di realizzazione preferite ed esemplificative, ma non limitative, dell'invenzione, il substrato 10 può essere composto da una molteplicità di strati, ognuno dei quali presentante almeno una delle piste conduttive 16, realizzate normalmente per mezzo di un processo fotolitografico o grazie ad altri processi di deposizione di piste conduttive di tipo noto.

Inoltre, il substrato 11 può comprendere strati conduttivi esterni, che costituiscono l'intera rete di connessione elettrica .

Una rete generica di distribuzione della potenza elettrica accumulata dalle celle solari 12 è normalmente realizzata connettendo elettricamente tutte le celle solari di una determinata colonna in serie; inoltre, la conduzione elettrica può essere inviata alle ulteriori colonne tramite una o più delle suddette piste conduttive 16 (per esempio, tramite la pista conduttiva indicata con 16A in figura 1), per mezzo di detto processo fotolitografico.

Le celle solari 12 sono fisicamente connesse al substrato 11 ed elettricamente connesse alla rete di connessione elettrica, per mezzo di piazzole conduttive, indicate genericamente con 17 in figura 1, del circuito stampato costituente il substrato 11.

I poli o terminali positivi e negativi di ciascuna cella 12 sono connessi, preferibilmente utilizzando pasta saldante conduttiva o piste conduttive, alle piazzole 17 del circuito stampato; in particolare, la pista di connessione elettrica 16 proveniente dal terminale positivo 13 viene connessa al polo positivo della prima cella 12, situato sul retro della suddetta cella, mentre la connessione al terminale negativo 14 avviene collegando elettricamente in serie i poli negativi rappresentati dalle porzioni superiori di ciascuna cella 12 con le rispettive piazzole 17 di circuito stampato.

Tale collegamento elettrico fra piazzole 17 e superfici anteriori delle celle 12 viene effettuato utilizzando preferibilmente una connessione tramite un nastro conduttivo o "ribbon" 18.

Preferibilmente, come descritto precedentemente e secondo una forma realizzativa preferita della presente invenzione, le celle solari 12 presentano terminali elettrici positivi e negativi accessibili da una e dall'altra porzione superficiale della cella stessa e le connessioni elettriche dei vari terminali vengono effettuate tramite conduttori metallici sottili che collegano i terminali della cella 12 alle piazzole 17 del circuito stampato; sebbene tali connessioni metalliche siano relativamente delicate da realizzare, la configurazione descritta permette di rimuovere individualmente ciascuna cella 12 connessa al substrato 11, semplificando notevolmente la costruzione del pannello fotovoltaico 10 ed i processi di manutenzione dello stesso e massimizzando la densità di impaccemento delle celle solari 12 all'interno di un substrato 11 avente dimensioni predeterminate.

Opzionalmente, sostanze adesive possono essere utilizzate al fine di assicurare meccanicamente e dal punto di vista termico le celle solari 12 al substrato 11, mentre ulteriori piste elettricamente conduttive possono essere utilizzate per connettere le piazzole 17 alla rete di connessione elettrica dell 'intero dispositivo.

La configurazione descritta permette inoltre di ottimizzare le caratteristiche di espansione termica tra substrato 11 e celle solari 12, mantenendo al contempo l'integrità delle connessioni elettriche afferenti alle singole celle 12 e tra una cella e l'altra.

Sulla superficie posteriore del substrato 11 (e, in applicazioni particolari, anche anteriormente), opposta alla superficie di posizionamento delle celle solari 12, possono essere ulteriormente realizzate piazzole conduttive utilizzabili per le connessioni elettriche di altri elementi circuitali, quali diodi di blocco o diodi "shunt", alla rete di collegamento tra celle solari 12 e terminali 13, 14.

Il montaggio delle piazzole posteriormente al pannello fotovoltaico 10 permette di connettere automaticamente gli elementi circuitali di protezione, quali i diodi sopra menzionati, all'intera rete elettrica descritta in precedenza; ciò evita il bisogno di ricorrere a ulteriori cablaggi elettrici e massimizza la densità di impaccamento delle celle solari 12.

In pratica, il pannello fotovoltaico 10 è composto da celle solari 12, mono o policristalline, e risulta realizzato sul circuito stampato costituente il substrato 11; in tal modo, mediante le piste conduttive 16 e le piazzole 17 del circuito stampato, possono essere effettuati i collegamenti in serie o in parallelo tra i poli positivi e negativi delle celle 12. Il circuito stampato può essere del tipo multistrato oppure a singola o doppia faccia e può alloggiare fino a 72 o più celle solari o parti di esse.

Inoltre, incrementi di corrente e di potenza elettrica in uscita possono essere ottenuti, alternativamente, aumentando il numero di celle 12 posizionate sul substrato 11 (e quindi aumentando le dimensioni del pannello fotovoltaico 10) oppure prevedendo l'installazione o l'utilizzo di opportune "lenti di Fresnel" o mezzi equivalenti atti a concentrare la radiazione solare.

Le dimensioni contenute del pannello fotovoltaico 10, realizzato secondo le modalità descritte in precedenza, permettono di utilizzarlo convenientemente in applicazioni comuni, quali la ricarica di una batteria per telefoni cellulari o di una batteria di accumulatori per auto o batterie stazionarie o per soluzioni connesse alla rete ("grid connected"); in effetti, la realizzazione del pannello e dell'intero dispositivo di alimentazione dell'energia elettrica secondo l'invenzione consentono di ridurre notevolmente le dimensioni di ingombro del dispositivo di ricarica, rendendone possibile la portabilità. Ciò consente, inoltre, di avere sempre a disposizione il dispositivo di ricarica, anche nelle situazioni in cui può non essere disponibile una sorgente di alimentazione di rete.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari, oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

In particolare, essi sono rappresentati da:

- ridotta manipolazione delle celle solari e conseguente riduzione della possibilità di rottura delle stesse durante il montaggio sul substrato o l'applicazione delle connessioni elettriche;

- riduzione della manodopera in fase di assemblaggio del dispositivo;

- maggiore produttività, a causa di una più veloce procedura di realizzazione del pannello fotovoltaico e di assemblaggio dei conponenti elettrici;

- costi minori di produzione, rispetto ai metodi di realizzazione noti, grazie ad una riduzione di utilizzo del materiale che costituisce il substrato;

- riduzione dei tempi di produzione del singolo dispositivo e di ciascun pannello fotovoltaico e conseguente riduzione di utilizzo del materiale saldante conduttore per la realizzazione del contatto tra il circuito stampato costituente il substrato del dispositivo e ciascuna cella solare del pannello.

E' chiaro, infine, che numerose altre varianti possono essere apportate al dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari in questione, senza per questo uscire dai princìpi di novità insiti nell'idea inventiva, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell'invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari (12), comprendente almeno un pannello fotovoltaico (10), su cui sono disposte e connesse elettricamente dette celle solari (12), detto pannello fotovoltaico (10) essendo montato e realizzato su almeno un substrato (11) e recante almeno due terminali elettrici (13, 14) utilizzabili per la connessione elettrica del dispositivo ad un carico, caratterizzato dal fatto che detto substrato (11) è costituito da almeno una basetta di circuito stampato, del tipo multistrato o a singola o doppia faccia, su cui vengono effettuate connessioni elettriche in serie o in parallelo tra i poli positivi ed i poli negativi delle celle solari (12), sfruttando le piste conduttive (16) e le piazzole (17) di collegamento di detto circuito stappato.
2. 2. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto substrato (11) è realizzato in vetronite o materiale equivalente.
3. 3. Dispositivo di alimentazione come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto pannello fotovoltaico (10) è collegato elettricamente al carico mediante un connettore elettrico (15) di tipo standard, in modo da trasmettere al carico la potenza elettrica prodotta da dette celle solari (12) .
4. 4. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette celle solari (12) sono di tipo mono o policristalline e sono montate su almeno una delle facce di detto pannello (10), in modo da facilitare le connessioni elettriche tra le varie celle (12).
5. 5. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto pannello fotovoltaico (10) comprende almeno un elemento concentratore della radiazione solare, quale una lente di Fresnel, in punti prefissati del pannello (10), al fine di ottenere ulteriori incrementi in termini di corrente e di potenza elettrica in uscita.
6. 6. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette piste conduttive (16) del circuito stampato costituiscono una rete di connessione elettrica realizzata su detto substrato (11) e connettono le celle solari (12) tra loro, consentendo ulteriori collegamenti di eventuali componenti elettronici.
7. 7. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta rete di connessione elettrica è realizzata connettendo in serie una pluralità di celle solari (12) disposte in colonna e prevedendo almeno un ulteriore collegamento elettrico, tramite almeno una pista conduttiva (16A), tra le colonne di celle solari (12) .
8. 8. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che dette celle solari (12) sono fisicamente connesse al substrato (11) ed elettricamente connesse alla rete di connessione elettrica, per mezzo di piazzole conduttive (17) del circuito stampato.
9. 9. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che i poli positivi e negativi di ciascuna cella (12) sono connessi, tramite materiale saldante conduttivo o materiale adesivo conduttivo, a dette piazzole (17) del circuito stampato, in modo che una prima pista conduttiva (16), proveniente da un terminale elettrico positivo (13) del pannello fotovoltaico (10), sia connessa ad un polo positivo di una prima cella solare (12), situato sul retro di detta cella (12), ed un terminale negativo (14) di detto pannello (10) sia connesso elettricamente in serie ai poli negativi situati sulle porzioni superiori di ciascuna cella (12), ciascuno di essi collegato elettricamente, a sua volta, con una rispettiva piazzola (17) del circuito stampato.
10. 10. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto collegamento elettrico fra piazzole (17) e poli negativi di dette celle (12) è effettuato utilizzando nastro conduttivo o "ribbon" (18) .
11. 11. Dispositivo di alimentazione elettrica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto pannello fotovoltaico (10) presenta dimensioni di ingombro relativamente contenute, in modo tale da essere utilizzato convenientemente in applicazioni comuni, quali la ricarica di una batteria per telefoni cellulari o di una batteria di accumulatori per auto o batterie stazionarie o per soluzioni connesse alla rete ("grid connected"), e rendendone possibile la portabilità, al fine di poter avere sempre a disposizione un dispositivo di ricarica, anche nelle situazioni in cui può non essere disponibile una sorgente di alimentazione di rete.
12. 12. Dispositivo di alimentazione elettrica a celle solari (12) come sostanzialmente descritto ed illustrato nei disegni allegati e per gli scopi specificati.