ITMI20091225A1 - Sistema integrato ad altissimo valore di conversione energetica comprendente elementi ottici olografici, termici e qualsiasi modulo atto a trasformare l'energia solare in energia ecocompatibile. - Google Patents

Description

SISTEMA INTEGRATO AD ALTISSIMO VALORE DI CONVERSIONE ENERGETICA COMPRENDENTE ELEMENTI OTTICI OLOGRAFICI, PANNELLI FOTOVOLTAICI, TERMICI E QUALSIASI MODULO ATTO A TRASFORMARE L’ENERGIA SOLARE IN ENERGIA ECO-COMPATIBILE

La presente invenzione ha per oggetto un sistema integrato per la produzione di strutture ad altissimo valore di conversione energetica per la conversione di energia solare in energia eco-compatibile.

In questi ultimi 20 anni negli stati industrializzati si e' verificato un incremento esponenziale di richiesta energetica.

La richiesta di energie alternative, quale le eolica e solare sono in fase di crescita. Uno dei metodi più utilizzati à ̈ quello dell’utilizzo di “celle solari†, che sfruttando l’effetto fotoelettrico di una giunzione p-n, generano elettricità a spese della luce che li colpisce.

La loro efficienza però à ̈ limitata alla totale esposizione verso la sorgente luminosa (sole).

Con la tecnologia attuale i dispositivi di captazione solare (pannelli termici e fotovoltaici) sono costituiti da un contenitore stagno, che contiene il dispositivo utilizzatore elettrico (cellule fotovoltaiche) o il dispositivo termoidraulico (tubi scambiatori alettati), e da una lastra trasparente di chiusura superiore (realizzata in vetro o in materiale plastico). La lastra trasparente superiore ha la funzione di proteggere il delicato contenuto ma nel contempo deve lasciare passare la maggior quantità possibile di radiazione solare che la colpisce.

Questi manufatti vengono abitualmente collocati sulla falda di un tetto ed orientati prevalentemente verso sud.

Indipendentemente dalla migliore orientazione complessiva che si riesce ad ottenere, si verifica il fatto che il movimento del sole durante la giornata (movimento ad arco da EST verso OVEST) permette di avere un buon quantitativo di radiazione penetrante, all’interno di un pannello solare perfettamente orientato, solamente per una porzione di arco pari a circa 50° (posizionato centralmente 25° - 25° rispetto alla perpendicolare sul pannello), e quando poi il sole si trova esternamente ad un arco di circa 82° (41° - 41°) la radiazione che penetra diviene addirittura nulla: si ha la cosiddetta riflessione totale da parte del vetro di protezione.

Infatti la legge di Snell dice che la radiazione che incide su una lastra piana si divide in una parte che viene riflessa ed in una parte che viene rifratta, vale a dire che attraversa la lastra e che, nel nostro caso, diviene la frazione utile da convertire in elettricità (pannelli fotovoltaici) o in calore (pannelli solari termici).

Ciò premesso, vedi Fig1, considerando che l’indice di rifrazione del vetro (sen(r)/sen(i)) à ̈ 1,5, l’indice di rifrazione per passaggio tra aria e vetro à ̈ 1/1,5 e quindi vale 0,666; da questo si ricava che per r = 90° I = arsen(0,666) = 41°: pertanto quando l’angolo di incidenza supera 41° la radiazione rifratta diviene nulla e tutta la radiazione incidente viene riflessa e quindi perduta per il pannello. Si ha la cosiddetta riflessione totale. Ma anche all’interno dell’arco degli 82° utili, passando da angolo di incidenza zero (raggi perpendicolari alla lastra) all’angolo limite (41° sia da un lato che dall’altro), si ha una intensità di rifrazione progressivamente calante sino a divenire nulla.

Osservando infatti un tradizionale diagramma della potenza erogata durante le ore di sole da un pannello termico, in cui in ordinate sia riportata la potenza erogata ed in ascisse la progressione oraria di una giornata, si nota che si ha un picco in corrispondenza delle ore centrali del giorno (attorno alle ore 13) ed il grafico (vedi fig2) mostra che si ha potenza soddisfacente solo per un periodo complessivo di circa 6 ore.

Per aumentare il quantitativo di potenza erogata lo stato dell’arte attuale propone, per mantenere un pannello perpendicolare al sole, una soluzione meccanica, vale a dire lo spostamento fisico del pannello (orientamento) ottenuto tramite un motore ed un telaio mobile: in questo modo si ottiene il risultato di mantenere la superficie vetrata del pannello sufficientemente perpendicolare ai raggi solari incidenti; si ottiene di prolungare il periodo di potenza soddisfacente sino a circa 14 ore in estate.

Questa tecnologia viene chiamata ad “inseguimento solare†e, nelle condizioni ideali, con due assi motorizzati e per pannelli fotovoltaici, permette di ottenere un incremento nella energia resa sino al 70%. Per contro la tecnologia à ̈ molto costosa e non viene applicata per le installazioni domestiche, ma solo per grandi centrali o per applicazioni particolari.

Esistono altri sistemi che aumentano l’energia incidente sul dispositivo captatore solare (termico o fotovoltaico):

1. un primo sistema utilizza un parco di specchi statici o orientabili (che effettuano un inseguimento solare)

2. altri sistemi utilizzano grandi lenti che concentrano l’energia captata su una limitata superficie.

Entrambi questi sistemi sono o estremamente costosi o adatti solo a grandi installazioni o contengono una limitazione intrinseca.

La cella solare trasforma l'energia solare in energia elettrica per cui il problema per avere più' energia e' avere a disposizione più quantità di energia solare da convogliare sulle celle solari. Per aumentare la quantità di energia solare sulla singola cella e' necessario concentrare la luce sulla cella. Un metodo e' quello di utilizzare delle lenti ottiche in modo che il fuoco della lente stessa concentri i raggi di sole. Poiché la posizione del sole cambia rispetto alla posizione della cella solare, l'effetto ipotizzato di aumento di energia solare, viene minimizzato quando cambia l'inclinazione del sole rispetto alla lente che mette a fuoco i raggi del sole sulla cella, a meno di un uso direzionale della cella in modo che sia sempre perpendicolare ai raggi del sole (active tracking).

RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

Nessuno dei sistemi attuali gode delle caratteristiche attese dal nuovo dispositivo che permette, con una variazione innovativa della tecnologia costruttiva di un solo componente il raggiungimento degli stessi obiettivi funzionali dei sistemi più complessi (orientamento, specchi, ecc.).

La limitazione dovuta al cambiamento di posizione porta alla diminuzione dell'area della cella illuminata dai raggi concentrati di una singola lente. Tale limitazione può' essere superata mediante una (teorica) lente che abbia nella sua struttura la possibilità di generare fuochi multipli a parità' di dimensioni della singola lente.

L'ottica classica non permette la costruzione di lenti industrialmente realizzabili aventi contemporaneamente più 'fuochi. Esiste però una tecnologia per la creazione di lenti complesse aventi fuochi multipli che permetterebbe la soluzione definitiva della necessità di avere a parità' di superficie concentratori multipli di energia solare sulle cellule fotovoltaiche. Tale tecnologia e' realizzata mediante l'utilizzo dell’olografia.

Si possono generare , tramite una serie di tecnologie, delle matrici olografiche idonee a generare multilenti olografiche ad un costo industriale estremamente accessibile.

Tale rivoluzionaria tecnologia ha come target tutto quello che concerne l'evoluzione e le applicazioni delle lenti ottiche classiche.

Tramite l'olografia, finalmente, si può realizzare ciò, che in forma matematica era possibile, ma che industrialmente non era realizzabile Di seguito viene come esempio un piano realizzativo per l'inglobamento,di tali tecnologie, mentre viene focalizzata in forma particolareggiata l’utilizzazione della tecnologia degli elementi ottici olografici applicate all'aumento dell'efficienza nei pannelli fotovoltaici.

Attraverso l’utilizzo del filtro interferenziale olografico à ̈ possibile creare moduli continui di lenti olografiche aventi la unica insostituibile possibilità di catturare tutta l’energia solare possibile ovunque si trovi la posizione del sole .

Quest’ultima considerazione evidenzia che a parità di tempo di permanenza del sole convogliato si aumenta in forma esponenziale la quantità di energia assorbita delle celle, che successivamente si trasforma in una quantità di energia utilizzabile nettamente superiore a quanto permesso dalle attuali celle solari.

Tale sistema à ̈ composto da pannelli fotovoltaici e un film plastico inciso con microincisioni ottiche olografiche di tipo lenticolare per catturare l’energia luminosa emessa dal Sole a diversi angoli e diverse lunghezze d’onda. Diversi ologrammi e diversi strati di ologrammi possono essere utilizzati per focalizzare la luce da angoli laterali sulle fotocellule. La selezione degli ologrammi concentratori permette ai dispositivi fotovoltaici di ricevere luce su un grande varietà di angoli incidenti e di ricevere una grande varietà di lunghezze d’onda senza perdite nell’angolo di incidenza della luce. Questa elevata quantità di angoli di ricezione dà la possibilità di ricevere la luce per un grande periodo della giornata senza il bisogno di sistemi di puntamento ed inseguimento solare. In questo modo si puo arrivare ad una efficienza migliore del 50%. Realizzate le lenti olografiche ottimali, si genera un cliché olografico, che applicato su un cilindro di una goffratrice olografica, incide il film plastico riportando permanentemente le microincisioni delle lenti olografiche.

ELENCO DISEGNI

Le caratteristiche dell’invenzione risulterà più evidente dalla descrizione che segue fatta con riferimento ai disegni annessi le cui figure mostrano:

Fig.1: disegno illustrante schematicamente la relazione fra raggi incidente, riflesso e rifratto nel caso di raggio incidente su lastra trasparente piana;

Fig.2: diagramma della potenza erogata da pannello temico durante le ore di sole;

Fig.3: disegno illustrante schematicamente la rifrazione del raggio luminoso nel caso di alimentazione di cella fotovoltaica tramite lente Fig.4: disegni schematici illustranti diversi possibili profili di lenti;

Fig.5: esempio di profilo lenticolare atto a massimizzare il flusso di luce laterale;

Fig.6: diagramma del rendimento teorico di una lente utilizzata per massimizzare il flusso di luce laterale;

Fig.7: disegno illustrante schematicamente il comportamento di un ragio luminoso attraversante una lente a due superfici con indice di rifrazione diverso;

Fig.8: esempio illustrante schematicamente il principio di funzionamento di una lente complessa ottenuta per accoppiamento di due lenti contrapposte;

Fig.9: esempio illustrante schematicamente il metodo di ottenimento di una lente olografica equivalente a una lente tradizionale quale ad esempio quella di Fig.8;

Figg.10, 11, 12 e 13: esempi di olgrammi ottenuti secondo l’invenzione e loro collocazione a ricoprimento di pannelli fotovoltaici.

Per meglio comprendere I principi di funzionamento dell’invenzione si premettono le seguenti considerazioni teoriche.

L’energia ricavabile dalla luce solare à ̈ anche funzione della latitudine, dell’ora e dell’angolo di incidenza dei raggi solari.

La densità di potenza radiante ricevuta dal sole sulla superficie terrestre a latitudine 0° e con il sole all’azimut, spesso denominata con S, ha un picco approssimativo di 1 kW/m2 che dipende da molti fattori. Se si cerca di catturare questa energia facendola assorbire da un corpo nero perfetto, la temperatura di equilibrio à ̈ data dalla ben nota relazione:

S=k T exp4

con k uguale alla costante di Boltzmann da cui ne deriva T=364°K, proprio al punto di ebollizione dell’acqua.

Uno dei metodi per incrementare il rendimento energetico di un sistema fotovoltaico à ̈ quello di usare dei “concentratori†di energia solare basato su specchi o lenti di vario tipo. Se questo à ̈ vero per i sistemi termici, tale approccio à ̈ sostanzialmente diverso per i sistemi fotovoltaici. La temperatura della cella fotovoltaica deve essere la più bassa possibile, , minore di 65°, altrimenti la sua efficienza diminuisce drasticamente. Inoltre, bisogna considerare l’efficienza delle celle a varie lunghezze d’onda della luce ricevuta. Sopra i 1200nm l’efficienza à ̈ molto ridotta, e questo significa che la parte alta dello spettro luminoso, sopra i 1200 nm (infrarosso) che rappresenta circa il 25% dell’emissione solare, à ̈ inutilizzata ed addirittura dannosa, portando ad un aumento della temperatura della giunzione della cella fotovoltaica.

Un altro aspetto importante à ̈ relativo alla uniformità di irradiazione sulla cella. Una non uniforme distribuzione dell’energia ricevuta dal sole sul pannello porta ad una drastica riduzione dell’efficienza di conversione. Questa à ̈ dovuta all’effetto Joule dovute alle resistenze serie delle celle. Si ricava che la perdita di efficienza à ̈ data da:

eff= Voc * Isc * FF /Pl

dove:

Voc=tensione a circuito aperto

Isc = corrente di corto circuito

FF= fattore di riempimento

Pl = potenza solare.

Bisogna quindi considerare sempre il modello di irradianza di qualsiasi concentratore o ricevitore solare.

Una ulteriore considerazione va fatta sulla direzione di illuminazione dei raggi solari verso la cella fotovoltaica. Due considerazioni sono importanti: la riflessione della luce da parte della superfice ricevente e la diminuitine dell’efficienza dovuta alla minore quantità di energia per unità di superfice. Le celle fotovoltaiche sono normalmente ricoperte di vetro con un indice di rifrazione di circa 1,5. Ciò vuol dire che la luce ricevuta, altre un certo angolo dato dalla legge di Snell (circa 41°) , viene quasi tutta riflessa diminuendo drasticamente l’efficienza della cella. Alcuni sistemi possono ovviare questo inconveniente, quali utilizzare vetri con indici di rifrazione basso o sistemi di antiriflesso (coating o satinature) che comunque assorbono parte della luce.

Bisogna quindi utilizzare sistemi che aumentino l’efficienza del sistema fotovoltaico utilizzando lo stesso anche nelle ore di minore irradiazione, o meglio, non inseguendo la fonte energetica ma aumentandone il rendimento nelle ore in cui l’inclinazione dei raggi solare à ̈ tale che il pannello debba essere o direzionato oppure direzionare i raggi della sorgente.

Una possibilità à ̈ quella di sfruttare la proprietà delle lenti di deviare un fascio luminoso., per cui, come si vede in figura,3 i raggi laterali vengono deflessi, anziché riflessi, e sono quindi sfruttabili da parte della cella fotovoltaica.

Se si analizza il problema dal punto di vista matematico, si vede che si tratta di risolvere un profilo lenticolare che massimizzi il flusso di luce laterale ricevuto dal sole.

Il problema à ̈ legato alla massima efficienza che si può avere quando l’inclinazione del raggio solare à ̈ inclinato di una angolo Î ̧.

Si possono utilizzare metodi analitici o metodi grafici per il calcolo del miglior profilo.

Utilizzando sistemi di calcolo iterativo si riesce ad ottenere il profilo migliore di una ipotetica microlente che poggia sulla singola cella fotovoltaica. Un esempio di profilo ottenuto a seguito di tali calcoli à ̈ dato in Fig.5

I rendimenti teorici calcolati vedi fig 6, (l’angolo cioà ̈ di ricezione e deflessione del raggio luminoso) sono indicati in figura, dove in ascissa c’à ̈ il rapporto tra potenza luminosa diretta ed angolare ed in ordinata l’angolo di incidenza.

Si dimostra (etendu di Lagrange) che per migliorare l’angolo di illuminazione à ̈ necessario utilizzare due superfici con appropriati indici di rifrazione diversi .vedi fig7

Il problema quindi si riduce al calcolo del profilo teorico di una lente a due superfici con indice di rifrazione diverso. Tali calcoli portano alla sovrapposizione di due lenti di profilo asferico con indici di rifrazione diverso.

In sostanza, si può dimostrare che lo stesso risultato à ̈ ottenuto con due sistemi di microlenti asferiche di profilo opportuno come ad esempio riportato in figura 8. Si vede che calcolando opportunamente le focali delle lenti i raggi solari vengono fatti convergere sempre paralleli sulla superfice della cella fotovoltaica, aumentandone l’efficienza.

E’ chiaro che va fatta una scelta appropriata dell’indice di rifrazione, e quindi del materiale con cui sono composte le lenti. Inoltre, à ̈ necessario che tali superfici, specialmente quella esposta verso l’esterno, non raccolga polvere o detriti, sia antiriflettente e e sia più sottile possibile

Questo sistema (vedi fig 8) permette di concepire il principio di funzionamento delle lenti classiche che utilizzato con le lenti olografiche ne esalta la praticità e l’economicità. E’ noto dalla teoria che si possono attere qualsiasi tipo di lente ologafica con le stesse caratteristiche ottiche delle lenti classiche-La “zone plate†non à ̈ altro che l’immagine olografica di una lente ottenuta facendo l’ologramma di una lente. Dirigendo un fascio di luce su quella immagine, questo sarà focalizza ad una certa distanza esattamente come se al posto dell’ologramma ci fosse la lente stessa.. la differenza à ̈ che l’ologramma ha uno spessore di qualche micron, à ̈ facilmente realizzabile e riproducibile.

Il passo successivo à ̈ quello di generare un ologramma del sistema di lenti così realizzato. Per poter fare questo si può procedere in due modi: sperimentale e teorico.

In figura 9 Ã ̈ mostrato un setup tipico per poter produrre un ologramma di una lente o di un array di lenti.

La figura 10 mostra l’array di lenti molto ingrandito.

E’ importante l’orientamento del pannello recante l’ologramma, che deve essere orientato secondo l’asse di movimento del sole, come in figura per avere la massima efficienza.,vedi fig11.

Viene fatto un ologramma per replica dei singoli ologrammi fino a creare un ologramma master delle dimensioni laterali di un pannello fotovoltaico. La dimensione del singolo ologramma deve essere dell’ordine di grandezza della singola fotocellula.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema integrato di conversione dell’energia solare in energia ecocompatibile comprendente pannelli fotovoltaici caratterizzato dal fatto che I pannelli fotovoltaici sono ricoperti da film plastici recanti microincisioni olografiche di tipo lenticolare che permettono una deflessione dei raggi solari atta ad aumentare la quantità di energia solare alimentante I pannelli lungo l’arco della giornata.
2. 2. Film per sistema integrato di conversione dell’energia solare in energia ecocompatibile riportante incisioni olografiche lenticolari che permettono la deflessione dei raggi solari per aumentare la quantità di energia solare lungo l’arco della giornata sulle celle solari su cui viene laminato.
3. 3. Processo di fabbricazione di sistema integrato mediante l’utilizzo di film plastico olografico lenticolare su celle fotovoltaiche di ogni tipo ad esempio: silicio monocristallino, silicio policristallino, silicio amorfo su materiale rigido o flessibile.
4. 4. Il film olografico lenticolare può essere applicato su celle fotovoltaiche di qualsiasi natura, inorganica e organica compresi i moduli sperimentali con i mirtilli e altri moduli di nuova generazione.
5. 5. Utilizzo per la realizzazione del master contenente le informazioni degli ologrammi lenticolari su diversi supporti fotosensibili quali il photoresist, il fotopolimero, gelatine al bicromato e qualsiasi altro materiale idoneo a registrare le microstrutture olografiche lenticolari.
6. Applicazione del film olografico lenticolare su pannelli termici per la concentrazione ottimale della luce solare.
7. 7. Applicazione del film olografico lenticolare sulle superfici vetrate delle costruzioni per concentrare nei periodi invernali maggiore energia solare all’interno degli edifici.
8. 8. Applicazione del sistema olografico lenticolare come pannello fotovoltaico generico ad altissima efficienza.
9. 9. Applicazione nella generazione di energia elettrica mediante sistema integrato ad altissima conversione energetica.
10. 10. Applicazione per la produzione del film olografico lenticolare mediante le tecnologie pertinenti ai brevetti ITMI20071526 (A1) e IT1217385 (B).