ITMI20112294A1 - Concentratore ottico - Google Patents

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ITMI20112294A1
ITMI20112294A1 IT002294A ITMI20112294A ITMI20112294A1 IT MI20112294 A1 ITMI20112294 A1 IT MI20112294A1 IT 002294 A IT002294 A IT 002294A IT MI20112294 A ITMI20112294 A IT MI20112294A IT MI20112294 A1 ITMI20112294 A1 IT MI20112294A1
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IT
Italy
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equal
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optical
concentrator
angle
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IT002294A
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Inventor
Giorgio Grasso
Francesco Morichetti
Silvia Maria Pietralunga
Aldo Righetti
Maria Chiara Ubaldi
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Fond Ct Internaz Della Fotonica P
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Description

DESCRIZIONE
“CONCENTRATORE OTTICOâ€
La presente invenzione si colloca nel campo dei concentratori ottici, in particolare nel campo dei concentratori solari per sistemi fotovoltaici a concentrazione, ancor più in particolare a bassa concentrazione.
Nei sistemi fotovoltaici a concentrazione la radiazione solare à ̈ concentrata tramite un sistema ottico sul materiale fotovoltaico al fine di sostituire parte del materiale fotovoltaico di elevato costo con un’ottica che può essere realizzata con tecnologie a basso costo. Il guadagno geometrico (G) dei sistemi ottici a concentrazione, definito come il rapporto tra l'area di ingresso della radiazione solare e l'area di uscita, occupata dal materiale fotovoltaico, su cui viene concentrata la radiazione, può spaziare da valori compresi all'incirca tra 1 e 10, per i quali si parla di bassa concentrazione, fino a valori di 100 e più (alta concentrazione), passando per i valori intermedi compresi all'incirca tra 10 e 100 (media concentrazione). In generale, i sistemi a bassa concentrazione, a differenza dei sistemi a media o alta concentrazione, hanno il vantaggio di non richiedere un sistema di inseguimento solare (pannelli a comportamento statico o quasi-statico) e consentono la raccolta di una significativa frazione della luce diffusa.
Il documento brevettuale EP0575797A1 descrive un modulo fotovoltaico comprendente un riflettore a specchio disposto lungo i lati delle celle fotovoltaiche per riflettere la radiazione indietro alla porzione di coperchio frontale e da qui per riflessione interna alle celle fotovoltaiche.
Il documento brevettuale WO2007/073203A1 descrive un modulo a celle solari dove almeno due celle solari sono tra loro spaziate in modo da creare aree senza celle solari e dove una piastra frontale trasparente comprende aree riflettenti in corrispondenza con le aree senza celle solari, le aree riflettenti dirigendo la radiazione verso le celle solari, dopo una riflessione interna sulla superficie della piastra frontale.
Ulteriori concentratori sono descritti nei seguenti documenti: US 2011/0162712, US 2011/0017264, US 2009/0188563, US 2010/0282316, EP 1630875, US 4235643, US 5076857, US 6008449, US 6323415, WO 95/15582, AU-A70929/87, “Prism-coupled compound parabola: a new ideal and optimal solar concentrator†di Ian R. Edmonds, OPTICS LETTERS, Vol. 11, No. 8, August 1986 e “Ideal prism Solar Concentrator†di D. R. Mills e L.E. Giutronich, Solar Energy, Vol. 21, pp. 423-430.
La Richiedente ha realizzato che per valutare le prestazioni di un’ottica di concentrazione un parametro importante à ̈ l’efficienza di concentrazione ottica (Pr), definita come il rapporto fra la potenza all'uscita del concentratore e la potenza alla sezione di ingresso del concentratore. Il valore assunto dal parametro Pr à ̈ un indicatore delle perdite ottiche del concentratore (Pr = 1 nel caso di concentratori ideali senza perdite) e costituisce un parametro estremamente importante per determinare la riduzione della quantità di energia elettrica prodotta dal materiale fotovoltaico e quindi per valutarne la sua effettiva validità economica. La concentrazione C (rapporto fra l’intensità luminosa uscente e quella entrante) à ̈ data dalla seguente relazione C=Pr*G.
La Richiedente ha riscontrato che i concentratori noti, quali ad esempio quelli descritti in EP0575797A1 e in WO2007/073203A1, presentano una configurazione che, a causa di cammini ottici della radiazione non ottimali, non consente di ottenere i valori desiderati di efficienza di concentrazione ottica (Pr).
La Richiedente ha inoltre constatato che si à ̈ andato affermando uno (o comunque pochi) standard industriale per quanto riguarda le dimensioni e/o il peso dei pannelli fotovoltaici senza concentrazione solare e la relativa carpenteria e modalità di installazione. Al riguardo la Richiedente ha realizzato che à ̈ vantaggioso, in termini di costo e di semplicità di realizzazione, utilizzare la stessa carpenteria e le stesse modalità di installazione dei pannelli standard anche per quelli statici a bassa concentrazione. Per permettere questo à ̈ però necessario che i pannelli a concentrazione siano simili a quelli standard in termini di dimensioni e di peso.
Un problema alla base della presente invenzione, in uno o più dei suoi vari aspetti e/o forme realizzative, à ̈ mettere a disposizione un concentratore ottico, in particolare per fotovoltaico, un sistema fotovoltaico, un pannello fotovoltaico e un metodo di produzione di un pannello fotovoltaico che possano essere in grado di ovviare ad uno o più degli inconvenienti citati.
In un aspetto l’invenzione riguarda un concentratore ottico, in particolare per fotovoltaico, avente uno sviluppo prevalente lungo un asse longitudinale e una sezione ortogonale all'asse longitudinale (sostanzialmente) uguale per un continuum di sezioni ortogonali prese lungo almeno una porzione (e.g una porzione longitudinalmente centrale) dello sviluppo longitudinale del concentratore.
Il termine concentratore ricomprende, per il noto principio della reciprocità dei cammini ottici, anche i proiettori ottici, ossia i dispositivi in cui la radiazione ottica viene proiettata da una apertura di ingresso ad una apertura di uscita avente area maggiore della apertura di ingresso.
Il concentratore ottico comprende un ingresso ottico e una uscita ottica, preferibilmente sostanzialmente planare, disposti da parti opposte del concentratore rispetto ad un asse di riferimento giacente sulla sezione, preferibilmente normale all'uscita ottica. Il concentratore ottico comprende un sistema riflettente e un sistema rifrattivo entrambi sviluppantesi longitudinalmente e aventi un rispettivo profilo sulla sezione ortogonale. Il sistema rifrattivo comprende (e.g. consiste in) un corpo in materiale dielettrico trasparente con indice di rifrazione preferibilmente maggiore di o uguale a 1.3 e avente una prima faccia di base, preferibilmente sostanzialmente piana, coincidente con l'uscita ottica, una seconda faccia di base coincidente con l'ingresso ottico e una prima e seconda faccia laterale a sviluppo longitudinale interposte tra, e congiungenti, la prima e seconda faccia di base. Il sistema riflettente comprende due semi-porzioni che si sviluppano in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, rispettivamente almeno una porzione delle due facce laterali in modo da riflettere una radiazione incidente verso il sistema rifrattivo. Il profilo in sezione del sistema rifrattivo ha una prima base, preferibilmente sostanzialmente rettilinea, coincidente con la sezione dell'uscita ottica, una seconda base coincidente con la sezione dell'ingresso ottico e un primo e secondo lato coincidenti con rispettivamente la sezione delle due facce laterali. Il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente à ̈ un segmento che si sviluppa in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, almeno una porzione del rispettivo lato e avente un punto iniziale, coincidente con, o nelle immediate vicinanze di, un rispettivo primo vertice formato dalla prima base e dal rispettivo lato e un punto finale sul, o nelle immediate vicinanze del, rispettivo lato.
In tale contesto, la radiazione incidente sul concentratore à ̈ caratterizzata da due angoli di incidenza rispetto all'asse di riferimento (tipicamente tale asse avendo una direzione normale alla prima faccia di base, o almeno ad una sua porzione), presi su due piani tra loro ortogonali, dove il primo angolo (indicato d'ora in avanti con la sigla Î ̧NS) à ̈ preso sul piano di sezione ortogonale e il secondo (indicato con la sigla Î ̧EO) sul piano ortogonale al piano di sezione (che comprende sia l'asse di riferimento sia l'asse longitudinale). Più precisamente l'angolo di incidenza reale rispetto all'asse di riferimento può essere proiettato sui due suddetti piani tra loro ortogonali. Per semplicità di esposizione, nella presente domanda si farà riferimento a tali proiezioni con l'espressione primo e secondo angolo di incidenza.
In un aspetto ciascuna semi-porzione del sistema riflettente à ̈ configurata in modo tale che almeno la metà, preferibilmente almeno i due terzi, della potenza ottica che entra nell'ingresso ottico con un primo angolo di incidenza Î ̧NS(in valore assoluto) minore di o uguale a 24° (e preferibilmente il secondo angolo di incidenza Î ̧EOnell'intervallo ± 70°) e che incide sulla semi-porzione, à ̈ riflessa indietro verso la seconda faccia di base e, dopo ulteriore riflessione interna da parte di quest'ultima, incide sulla prima faccia di base. La Richiedente ha riscontrato da alcune simulazioni che una siffatta configurazione consente di utilizzare un sistema fotovoltaico contenente tale concentratore in installazione statica, dove in corrispondenza del valore più penalizzante del primo angolo di incidenza (±24°, ad esempio ai solstizi) à ̈ garantito un Pr di almeno 75%.
In generale, si definisce 'altezza' di un elemento la lunghezza della proiezione dell'elemento considerato sull'asse di riferimento e 'larghezza' di un elemento la lunghezza della proiezione della sezione dell'elemento considerato su un piano di riferimento ortogonale all'asse di riferimento (preferibilmente tale piano di riferimento essendo il piano dell'uscita ottica).
In un aspetto il rapporto (denominato guadagno geometrico, che può essere espresso anche come rapporto tra le larghezze dell'ingresso ottico e dell'uscita ottica) tra l'area della proiezione dell'ingresso ottico sul piano di riferimento e l'area della proiezione dell'uscita ottica sul piano di riferimento à ̈ maggiore di o uguale a 1.5, preferibilmente maggiore di o uguale a 2, e/o minore di 4, preferibilmente minore di o uguale a 3.
In un aspetto la larghezza di ciascun lato à ̈ maggiore di o uguale a un quarto della larghezza della prima base, preferibilmente maggiore di o uguale a metà della larghezza della prima base.
In un aspetto la superficie su cui giace la prima faccia di base, preferibilmente il piano di giacenza della prima faccia di base, divide lo spazio in due semispazi, il primo semi-spazio comprendente l'ingresso ottico, e il sistema rifrattivo (e riflessivo) giace (giacciono) interamente nel primo semi-spazio.
In un aspetto, un primo angolo (di seguito indicato con γ1, intendendo con esso il minore tra i due angoli complementari che si vengono così a formare) formato tra la prima base (più in generale tra la tangente alla prima base nel rispettivo primo vertice) e la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale del segmento del sistema riflettente corrispondente con il primo lato à ̈ maggiore di o uguale a 16°, preferibilmente maggiore di o uguale a 20° e/o minore di o uguale a 32°, preferibilmente minore di o uguale a 30°.
In un aspetto, un secondo angolo (di seguito indicato con γ2, intendendo con esso il minore tra i due angoli complementari che si vengono così a formare) formato tra la prima base (più in generale tra la tangente alla prima base nel rispettivo primo vertice) e la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale del segmento del sistema riflettente corrispondente con il secondo lato à ̈ maggiore di o uguale a 22°, preferibilmente maggiore di o uguale a 24° e/o minore di o uguale a 42°, preferibilmente minore di o uguale a 40°.
In un aspetto i due suddetti angoli γ1 e γ2 sono uguali. In un aspetto il concentratore ha un piano di simmetria comprendente l'asse longitudinale e l'asse di riferimento e passante per i punti mediani della prima e seconda base.
In un aspetto alternativo agli ultimi due aspetti, il secondo angolo à ̈ maggiore del primo angolo, la differenza tra i due essendo preferibilmente maggiore di o uguale a 5°, preferibilmente 10°, e/o minore di o uguale a 25°. Vantaggiosamente in questo modo il concentratore e il relativo sistema fotovoltaico hanno buone prestazioni nel corso dell'anno quando installati in modalità statica (ossia fissa) con l'asse longitudinale parallelo alla direzione geografica EST-OVEST e con l'asse di riferimento che forma un angolo con l'elevazione del sole agli equinozi diverso da zero. Secondo la Richiedente, un importante parametro di valutazione delle prestazioni di un concentratore ottico per fotovoltaico à ̈ l’efficienza di concentrazione Pr integrata su secondi angoli Î ̧EO che variano nell'intervallo ± 70° e su primi angoli Î ̧NS che variano nell'intervallo ±24°, dove nell'integrazione si tiene conto della variazione reale (astronomica) del primo e secondo angolo lungo un intero anno solare. Tale parametro, denominato efficienza di concentrazione equivalente, Preq, à ̈ ritenuto essere un buon indicatore del reale rendimento del concentratore (e del relativo pannello) nel corso di un intero anno, quando installato in modalità statica (ossia fisso) con l'asse longitudinale parallelo alla direzione EST-OVEST. Infatti in tal caso il sole nel corso di una giornata varia il suo secondo angolo di incidenza da - 90° a 90° (sebbene il suddetto intervallo, più ristretto, sia considerato significativo ai fini della produzione di corrente elettrica) e nel corso di un anno varia il suo primo angolo di incidenza da - 24° a 24°, nel caso in cui la normale alla prima faccia di base (più in generale l'asse di riferimento) abbia elevazione pari a quella del sole agli equinozi.
Secondo la Richiedente la suddetta configurazione del concentratore e il suddetto intervallo di valori per gli angoli γ1 e γ2 consentono di raccogliere la radiazione luminosa alla prima faccia di base (e quindi sulla cella fotovoltaica) in maniera da ottimizzare la suddetta efficienza di concentrazione equivalente in modalità statica.
In un aspetto il rapporto (denominato 'altezza normalizzata') tra l'altezza complessiva del concentratore, e la larghezza della seconda faccia di base (e.g. dell'ingresso ottico) Ã ̈ minore di, o uguale a 0.5, preferibilmente minore di o uguale a 0.4.
In un aspetto ciascun punto di ciascun segmento del sistema riflettente (e ciascun punto della porzione corrispondente del rispettivo primo e secondo lato) giace nello spazio compreso tra, e comprendente, un primo e un secondo arco di cerchio entrambi passanti per il punto iniziale e il punto finale del segmento del sistema riflettente con concavità opposte e ciascuno avente raggio maggiore di o uguale a un quarto (preferibilmente metà) della larghezza dell'ingresso ottico.
In un aspetto, l'ingresso ottico e la seconda faccia di base sono planari.
In un aspetto, ciascuno del primo e secondo lato del profilo del sistema rifrattivo comprende una prima e una seconda parte, preferibilmente tra loro raccordate con continuità, dove il segmento del sistema riflettente si sviluppa solamente in corrispondenza della prima parte (e non in corrispondenza della seconda; in altre parole il punto di raccordo tra la prima e la seconda parte coincide con il suddetto punto finale del segmento). Preferibilmente l'altezza di ciascun primo e secondo lato à ̈ rispettivamente maggiore dell'altezza della prima parte di ciascun primo e secondo lato. In tal modo vantaggiosamente à ̈ possibile dare continuità strutturale (in corrispondenza della seconda parte dei lati del sistema rifrattivo) ad una pluralità dei suddetti concentratori tra loro affiancati adiacenti con i rispettivi assi longitudinali paralleli. Preferibilmente l'altezza della seconda parte di ciascun lato à ̈ minore di o uguale a un decimo della larghezza dell'ingresso ottico. Preferibilmente la seconda parte si sviluppa parallelamente all'asse di riferimento.
In un aspetto la prima parte di ciascun primo e secondo lato (e il rispettivo segmento del sistema riflettente) à ̈ (sostanzialmente) rettilinea o concava con concavità rivolta verso il sistema rifrattivo.
In un aspetto la seconda base à ̈ (sostanzialmente) rettilinea.
In un aspetto alternativo la seconda base comprende una prima e una seconda parte, preferibilmente rettilinee, tra loro raccordate con continuità in un punto di raccordo preferibilmente in posizione mediana della seconda base, la seconda base avendo la convessità rivolta verso la prima base. Tipicamente, un terzo angolo (di seguito indicato con α1, intendendo con esso il minore tra i due angoli complementari che si vengono così a formare) à ̈ formato tra la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale del segmento del sistema riflettente corrispondente con il primo lato e la retta congiungente il punto di raccordo della seconda base con un rispettivo secondo vertice formato tra il primo lato e la prima parte della seconda base. Tipicamente, un quarto angolo (di seguito indicato con α2, intendendo con esso il minore tra i due angoli complementari) à ̈ formato tra la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale del segmento del sistema riflettente corrispondente con il secondo lato e la retta congiungente il punto di raccordo della seconda base con un rispettivo secondo vertice formato tra il secondo lato e la seconda parte della seconda base.
In un aspetto il terzo angolo à ̈ maggiore di o uguale a 16°, preferibilmente maggiore di o uguale a 20° e/o minore di o uguale a 32°, preferibilmente minore di o uguale a 30°.
In un aspetto il quarto angolo à ̈ maggiore di o uguale a 22°, preferibilmente maggiore di o uguale a 24° e/o minore di o uguale a 42°, preferibilmente minore di o uguale a 40°.
In un aspetto i due suddetti terzo e quarto angolo α1 e α2 sono uguali.
In un aspetto alternativo, il quarto angolo à ̈ maggiore del terzo angolo, la differenza tra i due essendo preferibilmente maggiore di o uguale a 5°, preferibilmente 10°, e/o minore di o uguale a 25°. Vantaggiosamente in questo modo il concentratore e il relativo sistema fotovoltaico hanno buone prestazioni nel corso dell'anno quando installati in modalità statica (ossia fissa) con l'asse longitudinale parallelo alla direzione geografica EST-OVEST e con l'asse di riferimento che forma un angolo con l'elevazione del sole agli equinozi diverso da zero.
Nella configurazione in cui la seconda base comprende una prima e una seconda parte, l'altezza normalizzata à ̈ preferibilmente maggiore di o uguale a 0.20, più preferibilmente maggiore di o uguale a 0.23 e/o minore di, o uguale a, 0.31.
La Richiedente ha riscontrato che una configurazione in cui la seconda base à ̈ convessa e comprende una prima e una seconda parte come sopra descritto, consente di ottenere la suddetta continuità strutturale tra i concentratori affiancati mantenendo i valori desiderati di Preq e mantenendo un'altezza complessiva e un peso contenuti.
In un aspetto l'altezza complessiva del concentratore à ̈ minore di o uguale a 20mm, preferibilmente minore di o uguale a 15mm e/o maggiore di o uguale a 5 mm. In un aspetto l'altezza della prima parte di ciascun lato del sistema riflettente à ̈ minore di o uguale a 15mm, preferibilmente minore di o uguale a 8mm e/o maggiore di o uguale a 5 mm.
In un aspetto l'altezza della seconda parte di ciascun lato del sistema riflettente à ̈ minore di o uguale a 5mm, preferibilmente minore di o uguale a 4mm e/o maggiore di o uguale a 0.5mm, preferibilmente maggiore di o uguale a 1 mm. Vantaggiosamente in tal modo si fornisce miglior robustezza alla suddetta pluralità di concentratori con continuità strutturale.
In un aspetto la larghezza della prima base à ̈ maggiore di o uguale a 15 mm, preferibilmente maggiore di o uguale a 20 mm, e/o minore di o uguale a 50 mm, preferibilmente minore di o uguale a 40 mm.
In un aspetto il corpo del sistema rifrattivo à ̈ in vetro a base di silice, quali l’ossido di silice o i borosilicati preferibilmente a basso contenuto di ferro, o in materiale polimerico quale PoliMetilMetAcrilato (PMMA), Policarbonato, Ciclo-Poliolefine, etc. Preferibilmente il corpo del sistema rifrattivo à ̈ realizzato tramite stampaggio a rullo o a iniezione o per colata o tramite estrusione. Preferibilmente il sistema rifrattivo (il corpo rifrattivo, o almeno la sua seconda faccia di base) à ̈ esternamente rivestito con uno strato antiriflesso (al fine di ridurre la radiazione riflessa all'interfaccia corpo/aria al di sotto dell1%). Preferibilmente l'indice di rifrazione (n) del materiale del sistema rifrattivo à ̈ maggiore di o uguale a 1.3, più preferibilmente maggiore di o uguale a circa 1.5.
In un aspetto la sezione ortogonale à ̈ (sostanzialmente) uguale per un continuum di sezioni prese lungo sostanzialmente tutto (ad eccezione eventualmente delle due estremità longitudinali) lo sviluppo longitudinale del concentratore.
In un aspetto il corpo del sistema rifrattivo comprende un materiale ottico non-lineare (o fluorescente) adatto a realizzare una conversione di lunghezza d’onda ottica (aumentando così l’efficienza di conversione energetica della luce solare). Preferibilmente, il sistema rifrattivo comprende materiali polimerici drogati con materiali fluorescenti quali molecole organiche o nanoparticelle in grado o di assorbire due fotoni infrarossi di bassa energia emettendone uno di energia somma (o in generale maggiore) assorbibile dalla cella fotovoltaica (up-conversion) e/o assorbire un fotone di alta energia emettendone due di energia intermedia assorbibili dalla cella fotovoltaica (down-conversion).
In un aspetto il sistema riflettente comprende (consiste in) uno strato di materiale riflettente (che permetta la riflessione di almeno il 75%, preferibilmente almeno il 90%, della radiazione ottica, in particolare della luce solare, incidente) applicato su almeno una porzione delle due facce laterali del corpo dielettrico del sistema rifrattivo. Lo strato può essere ottenuto per deposizione sulle facce laterali del sistema rifrattivo di film metallici o in leghe metalliche quali leghe in Alluminio e Argento o l’applicazione di pellicole (e.g. sottili fogli metallici, e.g. in alluminio, o di materiale polimerico) sulla cui faccia riflettente à ̈ depositato un film riflettente metallico o in lega metallica, che viene tipicamente trattato per proteggerlo dall'ossidazione, ad esempio tramite un rivestimento polimerico. Preferibilmente, specialmente in caso di superfici del sistema rifrattivo a bassissima diffusività (e.g. superfici molto lisce), la pellicola riflettente non presenta una continuità ottica con il corpo dielettrico (i.e. viene interposta una sottile intercapedine d'aria), ad esempio essendo applicata solo per contatto meccanico, senza l’ausilio di colle e/o adesivi. Vantaggiosamente in tal modo una parte dei raggi incidenti sfrutta la riflessione totale. Alternativamente, specialmente in caso di superfici del sistema rifrattivo con diffusività non trascurabile, l'intercapedine tra sistema rifrattivo e pellicola riflettente viene riempita di colla 'index matching' (in tal modo si contrastano eventuali imperfezioni superficiali del dielettrico).
In un altro aspetto l'invenzione riguarda un sistema di concentrazione comprendente una pluralità di concentratori secondo uno o più degli aspetti e/o forme realizzative qui contemplati, tra loro affiancati con i rispettivi assi longitudinali paralleli e almeno una porzione di una faccia laterale (e.g.. la porzione corrispondente alla suddetta seconda parte del rispettivo lato del profilo) di ciascun corpo dielettrico (ad eccezione di quelli di estremità) adiacente a contatto con (e preferibilmente rigidamente connessa a) una rispettiva porzione di una faccia laterale (e.g.. la porzione corrispondente alla suddetta seconda parte del rispettivo lato del profilo) di un rispettivo corpo dielettrico adiacente.
In un aspetto almeno la porzione di tutti i corpi dielettrici corrispondente alla suddetta seconda parte dei lati del profilo del corpo dielettrico costituisce un pezzo unico. Preferibilmente tutti i corpi dielettrici costituiscono un pezzo unico, ad esempio in forma di lastra unica. Tale lastra può essere realizzata in un singolo passaggio tramite processi quali l’estrusione o lo stampaggio. In un aspetto alternativo le singole porzioni dei corpi dielettrici corrispondenti alla prima parte dei lati del profilo del corpo dielettrico sono incollati o termosaldati ad una lastra di supporto dello stesso materiale o di un altro materiale avente sostanzialmente lo stesso indice di rifrazione in modo che la lastra di supporto formi la suddetta porzione corrispondente alla suddetta seconda parte dei lati del profilo del corpo dielettrico.
In un altro aspetto l'invenzione riguarda un sistema fotovoltaico comprendente il concentratore ottico in accordo con uno o più degli aspetti e/o forme realizzative qui contemplati e una cella fotovoltaica otticamente accoppiata all'uscita ottica, preferibilmente disposta in corrispondenza dell'uscita ottica, più preferibilmente fissata (ad esempio con colla acrilica a reticolazione ultravioletta o per termosaldatura) ad almeno una porzione della prima faccia di base del sistema rifrattivo (corpo dielettrico).
In un aspetto la cella fotovoltaica à ̈ in silicio (e.g. mono- o poli-cristallino), preferibilmente con i contatti ohmici tutti sullo stesso lato (“back contacted†), e/o con il silicio trattato superficialmente in modo da annullare la luce riflessa e allargare lo spettro di assorbimento (“black silicon†). Alternativamente la cella fotovoltaica può essere in Nitruro di Gallio ed Indio, e/o del tipo a doppia o tripla giunzione di materiali di tipo III –V, e/o a film sottili semitrasparenti quali il CdTe o il CIGS, ecc. In un aspetto, il sistema fotovoltaico può comprendere un dissipatore termico associato alla cella fotovoltaica da parte opposta al sistema rifrattivo. In tal modo si contribuisce a limitare la temperatura operativa della cella stessa, e, di conseguenza, a mantenere la sua efficienza di conversione a livelli elevati.
In un altro aspetto l'invenzione riguarda un pannello fotovoltaico comprendente una pluralità di sistemi fotovoltaici secondo uno qualsiasi degli aspetti e/o esempi realizzativi qui descritti, dove i concentratori sono tra loro affiancati adiacenti con i rispettivi assi longitudinali paralleli.
In un aspetto almeno una porzione di una faccia laterale (e.g.. la porzione corrispondente alla suddetta seconda parte del rispettivo lato del profilo) di ciascun corpo dielettrico (ad eccezione di quelli di estremità) à ̈ adiacente a contatto con (e preferibilmente rigidamente connessa a) una rispettiva porzione di una faccia laterale (e.g.. la porzione corrispondente alla suddetta seconda parte del rispettivo lato del profilo) di un rispettivo corpo adiacente.
In un aspetto almeno la porzione di tutti i corpi dielettrici corrispondente alla suddetta seconda parte dei lati del profilo del corpo dielettrico costituisce un pezzo unico. Preferibilmente tutti i corpi dielettrici costituiscono un pezzo unico, ad esempio nella forma di una lastra sagomata.
In un aspetto il profilo in sezione in corrispondenza del punto di raccordo tra la prima parte di ciascun lato (ad eccezione di quelli di estremità) di ciascun corpo e la prima parte del lato del corpo adiacente ha forma arrotondata (e.g. ad arco di cerchio) per ridurre vantaggiosamente la concentrazione degli sforzi nel punto di raccordo ed aumentare la resistenza della struttura. In una configurazione preferita il raggio di curvatura della porzione di raccordo arrotondata à ̈ maggiore di o uguale a 1 mm.
In un aspetto il pannello fotovoltaico comprende una (unica) lamiera metallica (ad esempio in alluminio o una sua lega) meccanicamente fissata alla pluralità di celle fotovoltaiche. Vantaggiosamente la lamiera svolge la funzione di dissipatore termico.
In un aspetto un foglio in EVA (etilvinilacetato) Ã ̈ interposto tra le celle fotovoltaiche e il corpo dielettrico e/o un foglio in EVA Ã ̈ interposto tra le celle e la lamiera metallica, al fine di realizzare l'accoppiamento meccanico per termosaldatura tra i rispettivi elementi.
In un altro aspetto l'invenzione riguarda un metodo di produzione di un pannello fotovoltaico secondo uno o più degli aspetti e/o forme realizzative qui contemplate, comprendente:
- predisporre un sistema di concentrazione come sopra descritto (con le prime facce di base rivolte verso l'alto);
- stendere un primo foglio in EVA sulle prime facce di base;
- disporre la pluralità di celle fotovoltaiche sulle prime facce di base;
- collegare elettricamente in serie le celle;
- stendere un secondo foglio in EVA sulle celle;
- disporre la suddetta lamiera metallica sul secondo foglio in EVA
- laminare a caldo l'assemblato così realizzato.
Preferibilmente il metodo comprende l'intelaiatura dell'assemblato e il montaggio della scatola di contatti.
In un aspetto la predisposizione del sistema di concentrazione comprende disporre la pluralità di sistemi riflessivi sulle facce laterali dei sistemi rifrattivi (e.g. per deposito di uno strato riflettente o tramite applicazione di un foglio riflettente).
In un altro aspetto l'invenzione riguarda un metodo di installazione e/o operazione di un pannello fotovoltaico secondo uno qualsiasi degli aspetti e/o esempi realizzativi qui contemplati, in cui il pannello à ̈ orientato in modo tale che l'asse longitudinale sia disposto lungo la direzione geografica EST-OVEST.
In un aspetto il suddetto metodo di installazione e/o operazione comprende orientare il pannello (preferibilmente solo durante l'installazione senza ulteriori successivi interventi di orientazione -'installazione statica') in modo tale che l'asse di riferimento abbia un'elevazione (angolo formato con l'orizzonte) sostanzialmente pari a quella del sole nei giorni di equinozio.
La Richiedente ritiene che un possibile vantaggio di un pannello fotovoltaico e un relativo metodo di produzione in accordo con uno o più degli aspetti qui contemplati sia quello di essere adatto ad una produzione industriale tramite utilizzo delle stesse macchine che producono i pannelli fotovoltaici standard, ossia privi di concentrazione. Ad esempio la configurazione del concentratore della presente invenzione consente di limitarne le dimensioni, in particolare l'altezza, e/o il peso, a valori uguali o comparabili con l'altezza e/o il peso dei pannelli standard. Inoltre la tradizionale lastra piana protettiva dei pannelli piatti può essere sostituita dalla parte rifrattiva, in corpo unico, del sistema di concentrazione della presente invenzione, conservando la possibilità di manipolazione e impiego da parte dei medesimi macchinari che implementano il processo produttivo dei pannelli piatti.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, esemplari ma non esclusive, di un concentratore ottico, in particolare per fotovoltaico, un sistema fotovoltaico e un pannello fotovoltaico in accordo con la presente invenzione. Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:
- la figura 1 mostra una vista prospettica schematica di una possibile forma realizzativa di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione;
- la figura 2 mostra una sezione ortogonale schematica di un sistema fotovoltaico contenente un concentratore in accordo con la presente invenzione;
- le figure 3a, 3b e 3c mostrano una sezione ortogonale schematica di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione, in cui sono mostrati i percorsi di alcuni raggi della radiazione luminosa calcolati numericamente per un valore del primo angolo di incidenza Î ̧NS pari rispettivamente a 0°, 10° e 15° e secondo angolo di incidenza Î ̧EO pari a 0°;
- la figura 4 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione in funzione dell'angolo γ=γ1=γ2 e per diversi valori dell'indice di rifrazione (n) e del guadagno geometrico (G);
- la figura 5 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione ottica, Pr, di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione per diversi valori del primo angolo di incidenza Î ̧NS e del secondo angolo di incidenza Î ̧EO;
- la figura 6 mostra una sezione ortogonale schematica di un sistema fotovoltaico contenente un ulteriore concentratore in accordo con la presente invenzione;
- la figura 7 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione in funzione dell'angolo γ=γ1=γ2 per diversi valori dello spessore dello strato aggiuntivo e indice di rifrazione del dielettrico n pari a 2;
- la figura 8 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione in funzione dell'angolo γ=γ1=γ2 per diversi valori dello spessore dello strato aggiuntivo e indice di rifrazione del dielettrico n pari a 1.5;
- la figura 9 mostra una vista prospettica schematica di una possibile forma realizzativa di un sistema di concentrazione in accordo con la presente invenzione; - la figura 10 mostra una sezione ortogonale schematica di un pannello fotovoltaico in accordo con la presente invenzione;
- la figura 11 mostra una sezione ortogonale schematica di un ancora ulteriore concentratore in accordo con la presente invenzione;
- la figura 12 mostra i risultati di un calcolo numerico dei valori ottimali, in termini di efficienza di concentrazione equivalente, Preq, degli angoli γ1 e γ2 di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione ;
- la figura 13 mostra una sezione ortogonale schematica di ancora ulteriori concentratori in accordo con la presente invenzione;
- la figura 14 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione in funzione di un raggio normalizzato Rnor; - la figura 15 mostra una sezione ortogonale schematica di un ancora ulteriore concentratore in accordo con la presente invenzione;
- la figura 16 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, di un concentratore ottico in accordo con la presente invenzione in funzione di un'altezza normalizzata Hnor. Con riferimento alle figure allegate, un concentratore ottico secondo la presente invenzione à ̈ globalmente indicato con il numero di riferimento 1, un sistema fotovoltaico secondo la presente invenzione à ̈ globalmente indicato con il numero di riferimento 10, un sistema di concentrazione secondo la presente invenzione à ̈ globalmente indicato con il numero di riferimento 50 e un pannello fotovoltaico secondo la presente invenzione à ̈ globalmente indicato con il numero di riferimento 100. In generale, lo stesso numero di riferimento à ̈ utilizzato per gli stessi elementi (e per le loro sezioni), eventualmente nelle loro varianti realizzative. Con il termine sezione si intende il risultato dell'intersezione di un elemento, e.g. il concentratore, con un piano, in termini di profili o sagome bidimensionali delle componenti dell'elemento. Il concentratore ottico 1 ha uno sviluppo prevalente lungo un asse longitudinale 2 e una sezione 3 ortogonale all'asse longitudinale (sostanzialmente) uguale per un continuum di sezioni ortogonali prese lungo almeno una porzione dello sviluppo longitudinale del concentratore (preferibilmente una porzione sostanziale, ad esempio una porzione longitudinalmente centrale che si sviluppa per almeno il 75% dello sviluppo longitudinale complessivo del concentratore).
Il concentratore ottico comprende un ingresso ottico 5 e una uscita ottica 6 disposti da parti opposte del concentratore rispetto ad un asse di riferimento 7, tipicamente normale all'uscita ottica. Si osserva che l'uscita ottica 6, sebbene in tutti gli esempi illustrati sia planare, può in realtà avere una forma qualsiasi (ad esempio a porzione di superficie cilindrica con asse parallelo all'asse longitudinale 2). Il concentratore ottico comprende un sistema rifrattivo 8 e un sistema riflettente 9 entrambi sviluppantesi longitudinalmente e aventi un rispettivo profilo sulla sezione ortogonale.
Il sistema rifrattivo comprende (e.g. consiste in) un corpo 11 in materiale dielettrico trasparente e avente una prima faccia di base, tipicamente sostanzialmente piana, coincidente con l'uscita ottica 6, una seconda faccia di base coincidente con l'ingresso ottico 5 e una prima e seconda faccia laterale 12 a sviluppo longitudinale interposte tra, e congiungenti, la prima e seconda faccia di base.
Il sistema fotovoltaico 10 comprende un concentratore ottico 1 e una cella fotovoltaica 30 otticamente accoppiata all'uscita ottica, preferibilmente disposta in corrispondenza dell'uscita ottica 6, più preferibilmente fissata alla prima faccia di base del corpo dielettrico.
Il sistema riflettente comprende due semi-porzioni che si sviluppano in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, rispettivamente almeno una porzione delle due facce laterali in modo da riflettere verso il sistema rifrattivo.
Il profilo in sezione del sistema rifrattivo ha una prima base 13, tipicamente sostanzialmente rettilinea, coincidente con la sezione dell'uscita ottica, una seconda base 14, coincidente con la sezione dell'ingresso ottico e un primo e secondo lato 15 coincidenti rispettivamente con la sezione delle due facce laterali 12.
Il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente à ̈ un segmento 16 che si sviluppa in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, almeno una porzione del rispettivo lato 15 e avente un punto iniziale 17, sovrapposto a, o nelle immediate vicinanze di, un rispettivo primo vertice formato dalla prima base e dal rispettivo lato e un punto finale 18 sul, o nelle immediate vicinanze del, rispettivo lato. Si osserva che nelle allegate figure (in particolare in figura 2 e 6) ai soli fini illustrativi le distanze reciproche tra i vari elementi costitutivi del concentratore e/o del sistema fotovoltaico possono essere state volutamente esagerate.
In una forma di realizzazione (come ad esempio negli esempi di figura 1, 2, 3, 6, 9, 10, 13, 15) il concentratore ha un piano di simmetria 4 comprendente l'asse longitudinale 2 e l'asse di riferimento 7 e passante per i punti mediani della prima 13 e seconda base 14.
Come detto sopra, la radiazione incidente sul concentratore à ̈ caratterizzata da due angoli di incidenza rispetto all'asse di riferimento 7, presi su due piani tra loro ortogonali, dove il primo angolo (indicato d'ora in avanti con la sigla Î ̧NS) à ̈ preso sul piano di sezione ortogonale e il secondo (indicato con la sigla Î ̧EO) sul piano ortogonale al piano di sezione (che comprende sia l'asse di riferimento 7 sia l'asse longitudinale 2, ad esempio il piano 4). Più precisamente l'angolo di incidenza reale rispetto all'asse normale può essere proiettato sui due suddetti piani tra loro ortogonali.
Preferibilmente ciascuna semi-porzione del sistema riflettente 9 à ̈ configurata in modo tale che almeno la metà, preferibilmente almeno i due terzi, della potenza ottica che entra nell'ingresso ottico con un primo angolo di incidenza Î ̧NS minore di o uguale a 24° (in valore assoluto), e preferibilmente il secondo angolo di incidenza Î ̧EO nell'intervallo ± 70°, e che incide sulla semi-porzione, à ̈ riflessa indietro verso la seconda faccia di base e, dopo ulteriore riflessione interna da parte di quest'ultima, incide sulla prima faccia di base.
Le figure 3a, 3b e 3c mostrano una sezione ortogonale schematica di un concentratore ottico del tipo mostrato in figura 2, in cui sono mostrati i percorsi di alcuni raggi della radiazione luminosa calcolati numericamente per un valore del primo angolo di incidenza Î ̧NS pari rispettivamente a 0°, 10° e 15° e secondo angolo di incidenza Î ̧EO pari a 0°. Come si vede, solo una limitata quantità di raggi, entranti nella regione più laterale del concentratore ed aventi una direzione prossima all'inclinazione limite di accettazione, subiscono più di due riflessioni e solo una minima quantità di raggi (non mostrati) vanno persi.
Preferibilmente il rapporto (guadagno geometrico, che può essere espresso anche come rapporto tra le larghezze dell'ingresso e dell'uscita ottica, ad esempio si veda in figura 15 la proiezione 14a della seconda base 14) tra l'area della proiezione dell'ingresso ottico sul piano dell'uscita ottica e l'area dell'uscita ottica à ̈ maggiore di o uguale a 1.5, preferibilmente maggiore di o uguale a 2, e/o minore di o uguale a 4, preferibilmente minore di o uguale a 3.
Preferibilmente, un primo angolo (di seguito indicato con γ1, intendendo con esso il minore tra i due angoli complementari che si vengono così a formare) formato tra la prima base e la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale del segmento del sistema riflettente corrispondente con il primo lato à ̈ maggiore di o uguale a 16°, preferibilmente maggiore di o uguale a 20° e/o minore di o uguale a 32°, preferibilmente minore di o uguale a 30°.
Preferibilmente, un secondo angolo (di seguito indicato con γ2, intendendo con esso il minore tra i due angoli complementari che si vengono così a formare) formato tra la prima base e la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale del segmento del sistema riflettente corrispondente con il secondo lato à ̈ maggiore di o uguale a 22°, preferibilmente maggiore di o uguale a 24° e/o minore di o uguale a 42°, preferibilmente minore di o uguale a 40°.
In una forma realizzativa (ad esempio in presenza del suddetto piano di simmetria 4) i due suddetti angoli γ1 e γ2 sono uguali.
La figura 4 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq (in percentuale) di un concentratore ottico simmetrico, del tipo mostrato in figura 2, in funzione dell'angolo γ=γ1=γ2 e per diversi valori dell'indice di rifrazione (n=1.5 in linea continua e n=2 in linea tratteggiata) e del guadagno geometrico (G=1.5; 2; 2.5 e 3). Secondo la Richiedente, l’angolo γ ottimale risulta sorprendentemente quasi indipendente dal guadagno G e dall’indice di rifrazione n del materiale dielettrico. Come si deduce anche dalla figura 4, in caso di configurazione con γ1=γ2 i valori dell’angolo γ=γ1=γ2 compresi fra 22° e 32° sono ottimali.
Si osserva che tutti i calcoli numerici qui presentati sono stati condotti trascurando le perdite dovute all'attenuazione del materiale dielettrico e alla non perfetta riflettività delle superfici riflettenti del sistema riflettente.
La Richiedente ha realizzato un prototipo esemplificativo dove il corpo del sistema rifrattivo à ̈ in PMMA (indice di rifrazione n=1.48) con profilo a trapezio isoscele avente seconda base larga 50 mm, prima base larga 25 mm (quindi un guadagno geometrico G=2) e angolo γ=γ1=γ2 pari a 27° (altezza pari a 6.4 mm, per un rapporto di aspetto pari a 0,128). Gli specchi laterali sono stati ottenuti con un foglio di alluminio trattato per avere una riflettività superiore al 95% sull’intero spettro solare e prodotta dalla AlanodTM, mentre le celle fotovoltaiche 30 sono celle in silicio monocristallino standard tagliate in cinque parti rettangolari di dimensione 25 x 125 mm disponibili commercialmente. L’incollaggio à ̈ stato realizzato con colle acriliche.
La figura 5 mostra i risultati delle simulazioni dell'efficienza di concentrazione, Pr, del suddetto prototipo di concentratore ottico per diversi valori del primo angolo di incidenza Î ̧NS e del secondo angolo di incidenza Î ̧EO. Tale prototipo in modalità statica (senza cambio di orientazione nel corso della giornata o dell'anno) à ̈ in grado di raggiungere una efficienza di concentrazione equivalente, integrata su secondi angoli Î ̧EO nell'intervallo ± 70° e primi angoli Î ̧NS nell'intervallo ±24°, pari al 91% (trascurando le perdite per attenuazione e per riflettività non ottimale).
Si osserva che tutti i valori di Pr e Preq calcolati (ad esempio quelli di fig 4, 5, 14 e 16) non variano al variare della scala reale del concentratore (i.e. al variare della larghezza reale della prima base). Ciò perché il comportamento ottico del concentratore à ̈ invariante rispetto alla sua scala reale quando si trascura l'assorbimento del materiale (che invece varia al variare della grandezza reale del concentratore).
Preferibilmente ciascun punto di ciascun segmento 16 del sistema riflettente (e ciascun corrispondente punto della porzione corrispondente del rispettivo primo e secondo lato 15) giace nello spazio compreso tra, e comprendente, un primo e un secondo arco di cerchio entrambi passanti per il punto iniziale e il punto finale del segmento del sistema riflettente con concavità opposte e ciascuno avente raggio maggiore di o uguale a un quarto (preferibilmente metà) della larghezza dell'ingresso ottico.
La figura 13 illustra in modo esemplare e schematico il concetto sopra, dove l'arco di cerchio 16' con concavità rivolta verso il corpo 11 e l'arco di cerchio 16'' con convessità rivolta vero il corpo 11 rappresentano rispettivamente i due suddetti archi di cerchio estremi per il segmento 16 (e il rispettivo lato 15).
La figura 14 mostra l'efficienza di concentrazione equivalente calcolata numericamente per un concentratore avente la struttura mostrata in figura 13 in funzione del raggio di curvatura normalizzato Rnor (definito come il rapporto tra il raggio dell'arco di cerchio 16' o 16'' e la larghezza dell’ingresso ottico 14), con indice di rifrazione del dielettrico n pari a 2, guadagno geometrico G pari a 2 e angolo γ=γ1=γ2 =27°. L'efficienza di concentrazione equivalente mostrata in figura 14 à ̈ espressa come frazione dell'efficienza di concentrazione equivalente di un analogo concentratore in tutto uguale tranne che per il fatto che il segmento 16 à ̈ rettilineo, come il segmento rettilineo 16''' di figura 13. In una forma realizzativa (come mostrato nell'esempio di fig 11), il concentratore à ̈ asimmetrico, il secondo angolo γ2 essendo maggiore del primo angolo γ1.
La figura 12 mostra i risultati di un calcolo numerico dei valori ottimali, in termini di massimizzazione dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, degli angoli γ1 e γ2 di un concentratore ottico del tipo mostrato in figura 11 (indice di rifrazione del dielettrico n pari a 1.5 e G=2) in funzione dell'angolo, indicato in figura 12 con Î ̧sun, formato dall'elevazione del sole agli equinozi con l'asse di riferimento 7, nell'ipotesi in cui tale asse 7 sia parallelo all'asse verticale al suolo. Sulla base dei risultati numerici (come esemplarmente illustrato in figura 12), la Richiedente ritiene che per valori di Î ̧sun nell'intervallo da 25° a 45° , tipici delle zone temperate quando il concentratore à ̈ disposto orizzontalmente, l'intervallo ottimale del primo angolo γ1 va da circa 20° a circa 25° e l'intervallo ottimale del secondo angolo γ2 va da circa 35° a circa 40°. Un siffatto concentratore secondo la Richiedente consente buone prestazioni anche con installazione statica 'piatta', ossia con l'asse 7 disposto verticalmente. E' anche possibile aggiustare i due angoli γ1 e γ2 per ottimizzare le prestazioni di un concentratore disposto con l'asse 7 che forma un angolo qualsiasi (diverso da zero), con l'elevazione del sole agli equinozi. Si osserva che quanto discusso con riferimento alle figure 13 e 14 circa la forma del segmento 16 vale anche per i segmenti 16 di un concentratore asimmetrico.
In una forma realizzativa, come negli esempi mostrati nelle figure 2, 3a-3c, 11 e 13, ciascuno del primo e secondo lato 15 del profilo del sistema rifrattivo à ̈ un segmento rettilineo, il sistema riflessivo 16 coincidendo con l'intero sviluppo del rispettivo lato. In una forma realizzativa alternativa e preferita, come negli esempi mostrati nelle figure 6, 9, 10 e 15, ciascuno del primo e secondo lato del profilo del sistema rifrattivo comprende una prima 15a e una seconda parte 15b, preferibilmente tra loro raccordate con continuità, dove il segmento 16 del sistema riflettente si sviluppa solamente in corrispondenza della prima parte 15a (e non in corrispondenza della seconda; in altre parole il punto di raccordo tra la prima e la seconda parte coincide con il suddetto punto finale 18 del segmento). Preferibilmente l'altezza di ciascun primo e secondo lato à ̈ rispettivamente maggiore dell'altezza della prima parte di ciascun primo e secondo lato. Preferibilmente la seconda parte 15b si sviluppa parallelamente all'asse di riferimento 7.
Le figure 7 e 8 mostrano i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, di un concentratore ottico del tipo mostrato in figura 6 in funzione dell’angolo γ=γ1=γ2 per diversi valori (rispettivamente 0, 1, 2, e 3 mm) dell'altezza h della seconda parte del lato, con guadagno geometrico pari a 2 e indice di rifrazione del dielettrico n pari rispettivamente a 2 e 1.5. La Richiedente osserva, sulla base delle simulazioni condotte, che la presenza di uno 'strato' aggiuntivo, corrispondente in sezione alla seconda parte del lato, rispetto alla struttura a trapezio isoscele puro (e.g. fig. 2), conferisce continuità strutturale ad una pluralità di concentratori 50, al prezzo di una possibile degradazione delle prestazioni del relativo concentratore.
Si osserva che quanto discusso con riferimento alle figure 13 e 14 e/o alle figure 11 e 12 circa la forma e/o l'inclinazione del segmento 16 vale anche per i segmenti 16 di un concentratore in cui tale segmento 16 si sviluppa solo in corrispondenza della prima parte 15a del lato (come negli esempi mostrati nelle figure 6, 9, 10 e 15).
In una forma realizzativa preferita, come nell'esempio mostrato in figura 15, la seconda base 14 comprende una prima 14' e una seconda parte 14'', preferibilmente rettilinee, tra loro raccordate con continuità in un punto di raccordo 20 preferibilmente in posizione mediana della seconda base, la seconda base avendo la convessità rivolta verso la prima base. Si osserva che una siffatta seconda base convessa può avere anche la forma (non mostrata) di un (unico) segmento curvilineo, ad esempio un arco di cerchio convesso. In tal caso il punto di raccordo tra una prima e una seconda parte à ̈ preso arbitrariamente, ad esempio in posizione mediana (in particolare nel caso di un concentratore simmetrico).
Tipicamente, un terzo angolo α1 (intendendo il minore tra i due angoli complementari) à ̈ formato tra la retta congiungente il punto iniziale 17 con il punto finale 18 del segmento 16 del sistema riflettente corrispondente con il primo lato 15 e la retta congiungente il punto di raccordo 20 della seconda base con un rispettivo secondo vertice 21 formato tra il primo lato 15 e la prima parte 14'. Tipicamente, un quarto angolo α2 à ̈ formato tra la retta congiungente il punto iniziale 17 con il punto finale 18 del segmento 16 del sistema riflettente corrispondente con il secondo lato 15 e la retta congiungente il punto di raccordo 20 della seconda base con un rispettivo secondo vertice 21 formato tra il secondo lato 15 e la seconda parte 14'' della seconda base.
Sebbene in figura 15 i due suddetti terzo e quarto angolo α1 e α2 siano esemplarmente illustrati uguali, la presente invenzione contempla anche il caso (non mostrato), in cui il quarto angolo à ̈ maggiore del terzo angolo, la differenza tra i due essendo preferibilmente maggiore di o uguale a 5°, preferibilmente 10°, e/o minore di o uguale a 25°.
La figura 16 mostra i risultati di un calcolo numerico dell'efficienza di concentrazione equivalente, Preq, di un concentratore ottico avente la struttura sopra descritta con riferimento alla figura 15 (indice di rifrazione del dielettrico n=1.5, guadagno G=2, α1=α2=27°), in funzione dell'altezza normalizzata Hnor, definita come il rapporto tra l'altezza complessiva H del concentratore e la larghezza 14a dell'ingresso ottico. La linea tratteggiata 25 mostra il valore del Preq per un concentratore avente profilo a trapezio isoscele, indice di rifrazione n=1.5, guadagno=2 e γ1=γ2=27° (Hnor=0.128).
Sulla base dei risultati numerici (del tipo mostrati esemplarmente in figura 16) la Richiedente ha trovato che per la struttura avente la seconda base 14 convessa e comprendente una prima 14' e una seconda parte 14'', l'altezza normalizzata à ̈ preferibilmente maggiore di o uguale a 0.20, più preferibilmente maggiore di o uguale a 0.23 e/o minore di, o uguale a, 0.31.
Si osserva che quanto discusso con riferimento alle figure 13 e 14 circa la forma del segmento 16 vale anche per la prima 14' e/o la seconda parte 14'' della seconda base 14 di un concentratore avente la seconda base convessa in accordo con quanto qui contemplato.
In una forma realizzativa, come ad esempio mostrato in figura 9 o 10, il sistema di concentrazione 50 comprende una pluralità di concentratori 1 tra loro affiancati con i rispettivi assi longitudinali paralleli e almeno una porzione di una faccia laterale (e.g.. la porzione corrispondente alla suddetta seconda parte 15b del rispettivo lato del profilo) di ciascun corpo dielettrico (ad eccezione di quelli di estremità) adiacente a contatto con e rigidamente connessa a una rispettiva porzione di una faccia laterale (e.g.. la porzione corrispondente alla suddetta seconda parte 15b del rispettivo lato del profilo) di un rispettivo corpo dielettrico adiacente.
Preferibilmente tutti i corpi dielettrici costituiscono un pezzo unico, ad esempio in forma di lastra unica sagomata. Tale lastra può essere realizzata in un singolo passaggio tramite processi quali l’estrusione o lo stampaggio.
Preferibilmente, come mostrato nell'esempio di figura 10, il sistema fotovoltaico 100 può comprendere un dissipatore termico 101 (ad esempio un lamierino in alluminio) associato alle celle fotovoltaiche 30 da parte opposta al sistema rifrattivo, ai fini di limitare la temperatura operativa della cella stessa, e, di conseguenza, mantenere la sua efficienza di conversione a livelli elevati.
Preferibilmente un primo foglio in EVA (etilvinilacetato) 102 Ã ̈ interposto tra le celle fotovoltaiche 30 e il corpo dielettrico 11 e un secondo foglio in EVA 102 (in figura 10 esemplarmente mostrato come un tutt'uno con il primo foglio in EVA) Ã ̈ interposto tra le celle 30 e la lamiera metallica 101, al fine di realizzare l'accoppiamento meccanico per termosaldatura tra i rispettivi elementi.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Concentratore ottico (1) avente uno sviluppo prevalente lungo un asse longitudinale (2) e una sezione (3) ortogonale all'asse longitudinale, comprendente un ingresso ottico (5) ed una uscita ottica (6) disposti da parti opposte del concentratore rispetto ad un asse di riferimento (7), il concentratore ottico comprendendo un sistema rifrattivo (8) e un sistema riflettente (9) entrambi sviluppantesi longitudinalmente e aventi un rispettivo profilo sulla sezione ortogonale, il sistema rifrattivo essendo in materiale dielettrico trasparente e avente una prima faccia di base coincidente con l'uscita ottica, una seconda faccia di base coincidente con l'ingresso ottico e una prima e seconda faccia laterale (12) interposte tra, e congiungenti, la prima e seconda faccia di base e il sistema riflettente comprendendo due semi-porzioni che si sviluppano in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, rispettivamente almeno una porzione delle due facce laterali in modo da riflettere una radiazione incidente verso il sistema rifrattivo, dove il profilo in sezione del sistema rifrattivo ha una prima base (13) coincidente con la sezione dell'uscita ottica, una seconda base (14) coincidente con la sezione dell'ingresso ottico e un primo e secondo lato (15) coincidenti con rispettivamente la sezione delle due facce laterali e dove il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente si sviluppa in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, almeno una porzione del rispettivo lato e avente un punto iniziale (17), coincidente con, o nelle immediate vicinanze di, un rispettivo primo vertice formato dalla prima base e dal rispettivo lato e un punto finale (18) sul, o nelle immediate vicinanze del, rispettivo lato, dove il guadagno geometrico à ̈ maggiore di o uguale a 1.5 e dove ciascuna semi-porzione del sistema riflettente à ̈ configurata in modo tale che almeno la metà della potenza ottica che entra nell'ingresso ottico con un primo angolo di incidenza Î ̧NS, rispetto all'asse di riferimento e preso sul piano di sezione ortogonale, minore di o uguale a 24°, in valore assoluto, e il secondo angolo di incidenza Î ̧EO, rispetto all'asse di riferimento e preso su un piano ortogonale al piano di sezione, nell'intervallo ± 70°, e che incide sulla semiporzione, à ̈ riflessa indietro verso la seconda faccia di base e, dopo ulteriore riflessione interna da parte di quest'ultima, incide sulla prima faccia di base.
  2. 2. Concentratore ottico (1) secondo la rivendicazione 1, dove la superficie su cui giace la prima faccia di base divide lo spazio in due semi-spazi, il primo semi-spazio comprendendo l'ingresso ottico, e il sistema rifrattivo giacendo interamente nel primo semi-spazio.
  3. 3. Concentratore ottico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove un primo angolo (γ1) formato tra la tangente alla prima base (13) nel rispettivo primo vertice e la retta congiungente il punto iniziale (17) con il punto finale (18) di un segmento (16) del profilo in sezione del sistema riflettente corrispondente con il primo lato à ̈ maggiore di o uguale a 16°, preferibilmente maggiore di o uguale a 20° e/o minore di o uguale a 32°, preferibilmente minore di o uguale a 30° e dove un secondo angolo (γ2) formato tra la tangente alla prima base nel rispettivo primo vertice e la retta congiungente il punto iniziale (17) con il punto finale (18) del segmento (16) del sistema riflettente corrispondente con il secondo lato à ̈ maggiore di o uguale a 22°, preferibilmente maggiore di o uguale a 24° e/o minore di o uguale a 42°, preferibilmente minore di o uguale a 40°.
  4. 4. Concentratore ottico (1) secondo la rivendicazione 3, dove il primo angolo à ̈ uguale al secondo.
  5. 5. Concentratore ottico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove ciascuno del primo e secondo lato (15) del profilo del sistema rifrattivo comprende una prima (15a) e una seconda parte (15b), dove un rispettivo segmento (16) del rispettivo profilo in sezione del sistema riflettente si sviluppa solamente in corrispondenza della prima parte e dove l'altezza di ciascun primo e secondo lato à ̈ rispettivamente maggiore dell'altezza della prima parte di ciascun primo e secondo lato.
  6. 6. Concentratore ottico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove la seconda base (14) comprende una prima (14') e una seconda parte (14'') tra loro raccordate con continuità in un punto di raccordo (20), la seconda base avendo la convessità rivolta verso la prima base.
  7. 7. Concentratore ottico (1) secondo la rivendicazione 6, dove un terzo angolo (α1) à ̈ formato tra la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale di un segmento (16) del profilo in sezione del sistema riflettente corrispondente con il primo lato (15) e la retta congiungente il punto di raccordo (20) della seconda base con un rispettivo secondo vertice (21) formato tra il primo lato e la prima parte (14') della seconda base (14), dove un quarto angolo (α2) à ̈ formato tra la retta congiungente il punto iniziale con il punto finale del segmento (16) del profilo in sezione del sistema riflettente corrispondente con il secondo lato (15) e la retta congiungente il punto di raccordo (20) della seconda base con un rispettivo secondo vertice (21) formato tra il secondo lato e la seconda parte della seconda base, dove il terzo angolo à ̈ maggiore di o uguale a 16°, preferibilmente maggiore di o uguale a 20° e/o minore di o uguale a 32°, preferibilmente minore di o uguale a 30°e dove il quarto angolo à ̈ maggiore di o uguale a 22°, preferibilmente maggiore di o uguale a 24° e/o minore di o uguale a 42°, preferibilmente minore di o uguale a 40°.
  8. 8. Concentratore ottico (1) secondo la rivendicazione 7, dove l'altezza normalizzata à ̈ maggiore di o uguale a 0.20, più preferibilmente maggiore di o uguale a 0.23 e/o minore di, o uguale a, 0.31.
  9. 9. Sistema fotovoltaico (10) comprendente un concentratore ottico (1) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e una cella fotovoltaica (30) otticamente accoppiata all'uscita ottica (9).
  10. 10. Pannello fotovoltaico (100) comprendente una pluralità di sistemi fotovoltaici secondo la rivendicazione 9, dove i concentratori sono tra loro affiancati adiacenti con i rispettivi assi longitudinali (2) tra loro paralleli e dove almeno una porzione di una faccia laterale di ciascun corpo dielettrico, ad eccezione di quelli di estremità, à ̈ adiacente a contatto con, e rigidamente connessa a, una rispettiva porzione di una faccia laterale di un rispettivo corpo adiacente.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015075625A1 (en) 2013-11-21 2015-05-28 Fondazione Centro Internazionale Della Fotonica Per Energia Photovoltaic panel

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1472267A1 (de) * 1965-06-16 1969-12-04 Zeiss Carl Fa Axialsymmetrische Lichtfuehrungseinrichtung
US3936157A (en) * 1974-04-22 1976-02-03 Kaptron, Inc. High efficiency light transmitting window panel
FR2330023A1 (fr) * 1975-11-03 1977-05-27 Univ Chicago Appareil de transmission de l'energie rayonnante
US5959787A (en) * 1995-06-06 1999-09-28 The Boeing Company Concentrating coverglass for photovoltaic cells
US20040264004A1 (en) * 2003-05-05 2004-12-30 Illumitech Inc. Compact non-imaging light collector
EP1732141A1 (en) * 2005-06-06 2006-12-13 The General Electric Company Optical concentrator for solar cells
WO2007082133A2 (en) * 2006-01-06 2007-07-19 Lockheed Martin Corporation Optical waveguide
WO2007084517A2 (en) * 2006-01-17 2007-07-26 Soliant Energy, Inc. Concentrating solar panel and related systems and methods

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1472267A1 (de) * 1965-06-16 1969-12-04 Zeiss Carl Fa Axialsymmetrische Lichtfuehrungseinrichtung
US3936157A (en) * 1974-04-22 1976-02-03 Kaptron, Inc. High efficiency light transmitting window panel
FR2330023A1 (fr) * 1975-11-03 1977-05-27 Univ Chicago Appareil de transmission de l'energie rayonnante
US5959787A (en) * 1995-06-06 1999-09-28 The Boeing Company Concentrating coverglass for photovoltaic cells
US20040264004A1 (en) * 2003-05-05 2004-12-30 Illumitech Inc. Compact non-imaging light collector
EP1732141A1 (en) * 2005-06-06 2006-12-13 The General Electric Company Optical concentrator for solar cells
WO2007082133A2 (en) * 2006-01-06 2007-07-19 Lockheed Martin Corporation Optical waveguide
WO2007084517A2 (en) * 2006-01-17 2007-07-26 Soliant Energy, Inc. Concentrating solar panel and related systems and methods

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015075625A1 (en) 2013-11-21 2015-05-28 Fondazione Centro Internazionale Della Fotonica Per Energia Photovoltaic panel

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