ITMI20131937A1

ITMI20131937A1 - Pannello fotovoltaico

Info

Publication number: ITMI20131937A1
Application number: IT001937A
Authority: IT
Inventors: Giorgio Grasso; Aldo Righetti
Original assignee: Er En
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-05-22
Also published as: EP3072160B1; WO2015075625A1; EP3072160A1; ES2753425T3

Description

DESCRIZIONE

“PANNELLO FOTOVOLTAICO”

La presente invenzione riguarda un pannello fotovoltaico a concentrazione con dispositivo di accumulo dell’energia integrato.

Sono noti pannelli fotovoltaici a concentrazione in cui la radiazione solare è concentrata sul materiale fotovoltaico tramite un sistema di concentrazione ottica, al fine di sostituire parte del materiale fotovoltaico ad 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, quest’ultima occupata dal materiale fotovoltaico e 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 ad installazione statica o quasi-statica) e, a causa di un angolo di accettazione abbastanza alto, consentono la raccolta di una significativa frazione della luce diffusa. Esempi di pannelli fotovoltaici a concentrazione sono descritti in: EP0575797A1, WO2007/073203A1, DE202009006442, US2011/0132434A1, ‘Outdoor performance of a low-concentrated photovoltaic-thermal hybrid system with crystalline silicon solar cells’ di Chengdong Kong et al, Applied Energy 2013 http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.02.011, AU-A-70929/87, WO 2013/030720A1, MI2011A002294, WO2012/017274A1.

Recentemente si è dimostrato vantaggioso abbinare un impianto fotovoltaico (che tipicamente comprende, oltre ad uno o più pannelli fotovoltaici, un inverter per il controllo dei pannelli e la trasformazione della corrente prodotta) ad un sistema di accumulo dell’energia prodotta dai pannelli fotovoltaici. Nella presente descrizione e rivendicazioni i termini energia, corrente, etc. sono riferiti alla loro accezione elettrica.

Tale abbinamento risulta vantaggioso non solo per gli impianti ‘standalone’ (ossia scollegati dalla rete di distribuzione elettrica), ma anche negli impianti collegati alla rete (dove tipicamente è previsto lo scambio con la rete elettrica di distribuzione), in quanto esso facilita il consumo in loco della corrente prodotta dai pannelli (cosiddetto ‘autoconsumo’) e/o consente una ottimizzazione del funzionamento della rete elettrica, in quanto ne aumenta la flessibilità in termini di gestione dei flussi di corrente da e verso la rete (si osserva che il sistema di accumulo in linea di principio può accumulare anche l’energia proveniente dalla rete).

Il documento WO2009/011794A2 descrive un modulo fotovoltaico comprendente una prima e una seconda cella fotovoltaica e un dispositivo di accumulo dell’energia integrato nel modulo.

La Richiedente ha riscontrato che i pannelli fotovoltaici noti non sono esenti da inconvenienti e/o sono migliorabili in uno o più aspetti.

La Richiedente ha realizzato che i pannelli fotovoltaici noti con sistema di accumulo integrato nel pannello non forniscono una ottimale capacità di accumulo. Ad esempio il dispositivo di accumulo in WO2009/011794A2 è posizionato o impilato con le celle fotovoltaiche (fig. 3) o affiancato ad esse (fig. 4). Nel primo caso lo spazio a disposizione per il dispositivo di accumulo è limitato dall’ingombro massimo nella direzione dello spessore del pannello (in altri termini per aumentare lo spazio a disposizione occorrerebbe aumentare lo spessore complessivo del pannello, con il rischio di eccedere lo spessore standard dei pannelli fotovoltaici industrialmente accettato). Nel secondo caso lo spazio a disposizione per il dispositivo di accumulo è limitato dal suddetto limite dato dallo spessore massimo e/o dall’ingombro massimo nel senso delle due dimensioni principali del pannello (ortogonali allo spessore), nonché dall’estensione delle celle fotovoltaiche (in altri termini diminuendo quest’ultima da un lato in linea di principio si aumenta lo spazio a disposizione per il dispositivo di accumulo, dall’altro tuttavia si diminuisce la potenza del pannello, a parità di ingombro del pannello e di materiale fotovoltaico).

La Richiedente ha inoltre constatato che si è andato affermando uno (o comunque pochi) standard industriale per quanto riguarda le dimensioni, la relativa carpenteria e le modalità di installazione, dei pannelli fotovoltaici senza concentrazione solare e senza accumulo dell’energia integrato (noti anche come ‘pannelli fotovoltaici piatti’). Al riguardo la Richiedente ha realizzato che è vantaggioso, in termini di costo e di semplicità di realizzazione, utilizzare la stessa carpenteria e le stesse modalità di installazione dei pannelli piatti standard anche per quelli con accumulo di energia. Per permettere questo è conveniente che i pannelli con accumulo di energia siano simili a quelli standard in termini di dimensioni.

Un problema alla base della presente invenzione, nei suoi vari aspetti e/o forme realizzative, è mettere a disposizione un pannello fotovoltaico che possa essere in grado di ovviare ad uno o più degli inconvenienti citati.

Tale problema è risolto da un pannello fotovoltaico e un sistema fotovoltaico in accordo con i seguenti aspetti nelle loro varie forme realizzative e/o in accordo con le seguenti rivendicazioni, che costituiscono ulteriori forme realizzative dell’invenzione.

In un primo aspetto l’invenzione riguarda un pannello fotovoltaico comprendente una pluralità di sistemi di concentrazione ottica della radiazione luminosa disposti reciprocamente affiancati e aventi un rispettivo ingresso ottico e una rispettiva uscita ottica, e una pluralità di celle fotovoltaiche disposte rispettivamente in corrispondenza delle uscite ottiche. Una rispettiva porzione di spazio esterna ai sistemi di concentrazione è delimitata da almeno due sistemi di concentrazione ottica adiacenti e da un piano passante per (o interpolante) dette due rispettive uscite ottiche.

Preferibilmente il pannello comprende almeno una porzione di un dispositivo di accumulo dell’energia prodotta da dette celle fotovoltaiche disposta in detta porzione di spazio.

Secondo la Richiedente la collocazione di almeno una porzione del dispositivo di accumulo dell’energia nella suddetta porzione di spazio consente uno sfruttamento ottimale dello spazio complessivamente occupato dal pannello, in quanto viene sfruttato uno spazio che è già disponibile a seguito della presenza dei sistemi di concentrazione ottica. Infatti la conformazione stessa dei sistemi di concentrazione, i quali hanno un ingombro in corrispondenza dell’uscita ottica minore dell’ingombro in corrispondenza dell’ingresso ottico, determina la delimitazione di una porzione di spazio tra due sistemi di concentrazione adiacenti. Nell’arte nota tale porzione di spazio non è stata utilizzata oppure, come nel caso del documento DE202009006442 sopra citato, è stata utilizzata ai fini della sottrazione e/o dello scambio di calore. A seguito dell’insegnamento della presente invenzione, al contrario, tale porzione di spazio diventa uno spazio utile all’alloggiamento dei vari elementi del dispositivo di accumulo, rendendo così possibile integrare nei pannelli fotovoltaici la funzione di accumulo dell’energia (e.g. da essi stessi prodotta) senza alcun incremento dell’ingombro complessivo del pannello e/o con una elevata capacità di accumulo (a parità di efficienza di accumulo del dispositivo), il tutto senza alcuna ricaduta negativa sulla potenza elettrica del pannello. Preferibilmente il pannello comprende almeno una rispettiva porzione del dispositivo di accumulo dell’energia disposta in una rispettiva porzione di spazio esterna ai sistemi di concentrazione e delimitata da ciascuna coppia di sistemi di concentrazione ottica adiacenti e da detto piano passante per dette due rispettive uscite ottiche di detta coppia. Vantaggiosamente in tal modo si sfruttano tutti gli spazi disponibili tra ciascuna coppia di concentratori ottici.

Preferibilmente il pannello comprende una ulteriore porzione del dispositivo di accumulo dell’energia interposto tra almeno due, preferibilmente tra ciascuna coppia di, celle fotovoltaiche consecutive. Preferibilmente il pannello comprende una ancora ulteriore porzione del dispositivo di accumulo dell’energia (eventualmente coincidente con detta ulteriore porzione del dispositivo di accumulo) costituente un elemento di supporto posteriore (ossia opposto agli ingressi ottici) del pannello. Preferibilmente detta ancora ulteriore porzione del dispositivo di accumulo si estende in un semispazio opposto al semispazio di giacenza dei sistemi di concentrazione ottica rispetto ad un piano di giacenza delle celle fotovoltaiche.

Preferibilmente il dispositivo di accumulo dell’energia comprende almeno una batteria ricaricabile (e.g. del tipo a ioni di litio) e/o almeno un supercondensatore.

Preferibilmente il pannello comprende una unità elettronica di comando e controllo configurata per caricare e scaricare il dispositivo di accumulo dell’energia (o sue porzioni) e, preferibilmente, per ottimizzare la produzione di energia elettrica prodotta dal pannello stesso. Preferibilmente l’unità elettronica di comando e controllo è configurata per caricare e scaricare il dispositivo di accumulo in dipendenza delle necessità di una rete elettrica collegata al pannello quale, ad esempio, la necessità di mantenere costante la potenza elettrica erogata dal pannello indipendentemente dalle condizioni di insolazione.

Preferibilmente il piano di giacenza di ciascuna uscita ottica individua due semispazi, ciascun rispettivo sistema di concentrazione sviluppandosi interamente nel semispazio disposto da parte opposta alla rispettiva cella fotovoltaica rispetto a detto piano di giacenza dell’uscita ottica. In tal modo vantaggiosamente è garantito un ampio spazio disponibile per il dispositivo di accumulo.

Preferibilmente il sistema di concentrazione ottica ha una prima direzione di sviluppo passante per detto ingresso ottico e detta uscita ottica, più preferibilmente ortogonale al piano di giacenza di detta uscita ottica (o al piano di giacenza che meglio interpola l’uscita ottica, in caso di non planarità di quest’ultima). Preferibilmente detta cella fotovoltaica si sviluppa ortogonalmente a detto asse di sviluppo.

Preferibilmente il rapporto (altrimenti noto come guadagno geometrico del sistema di concentrazione) tra l’estensione superficiale della proiezione dell’ingresso ottico su un piano ortogonale alla prima direzione di sviluppo e l’estensione superficiale della proiezione dell’uscita ottica su detto piano ortogonale è maggiore di o uguale a 1.5, più preferibilmente maggiore di o uguale a 2, e/o minore di o uguale a 10, più preferibilmente minore di o uguale a 5. Vantaggiosamente in tal modo si ottiene un buon compromesso tra angolo di accettazione del sistema di concentrazione ottica (con possibilità di installazione in modalità statica o quasi-statica) e spazio disponibile tra due sistemi di concentrazione adiacenti.

Preferibilmente ciascun sistema di concentrazione ottica comprende un sistema riflettente delimitante, insieme a detto ingresso ottico e detta uscita ottica, un vano interno al sistema riflettente.

Preferibilmente ciascun sistema di concentrazione ottica comprende un sistema rifrattivo, più preferibilmente posizionato internamente a detto vano interno. Vantaggiosamente in tal modo il sistema di concentrazione ottica consente una efficiente concentrazione della radiazione luminosa e al contempo un’ampia disponibilità di spazio esterno tra due sistemi riflettenti adiacenti.

Preferibilmente il sistema rifrattivo comprende (o anche consiste in) un corpo in materiale dielettrico trasparente con indice di rifrazione preferibilmente maggiore di o uguale a 1.3.

Preferibilmente il pannello comprende inoltre un sistema di sottrazione di calore configurato per sottrarre calore alle celle fotovoltaiche. Il sistema di sottrazione di calore vantaggiosamente mantiene su valori ottimali l’efficienza di conversione delle celle (in quanto questa diminuisce all’aumentare della temperatura della cella) e inoltre consente il recupero di calore utile ad un suo utilizzo (e.g. per produzione di acqua calda o per riscaldamento).

Preferibilmente il sistema di sottrazione di calore comprende un condotto idraulico in contatto termico con almeno una (preferibilmente con ciascuna) di dette celle fotovoltaiche.

Con l’espressione ‘condotto idraulico’ si intende generalmente un condotto in grado di convogliare il flusso di un fluido, quale un liquido (più tipicamente) o un gas.

Preferibilmente, con riferimento alla sezione ortogonale, almeno un lato di detto condotto idraulico è in contatto (diretto o indiretto) con detta cella fotovoltaica, dove uno strato di materiale eventualmente interposto tra detto lato e detta cella è in un materiale termicamente conduttivo (ad esempio avente una conducibilità termica maggiore di 1 W•m<-1>•K<-1>, più preferibilmente maggiore di o uguale a 5 W•m<-1>•K<-1>) (e/o ha uno spessore minore di o uguale a 10mm, più preferibilmente minore di o uguale a 5mm. Preferibilmente detto condotto idraulico è riempito con un fluido termoconvettore, ad esempio una miscela comprendente acqua e glicole, in circolazione (forzata), in uso. Vantaggiosamente in tal modo il sistema di sottrazione è particolarmente efficiente a fronte di un ingombro ridotto dello stesso. La Richiedente osserva che un sistema di sottrazione di calore efficiente interagisce sinergicamente con il sistema di concentrazione ottica nella risoluzione del problema dell’aumento della capacità di accumulo del pannello integrato a parità di ingombro dello stesso, in quanto esso evita il ricorso a sistemi di dissipazione del calore particolarmente massicci e/o ingombranti (quali opportuni elementi dissipatori, e.g. in alluminio o materiali similmente conduttori, in contatto termico con le celle fotovoltaiche da parte opposta alla faccia di incidenza della radiazione luminosa). In tal modo si libera ulteriore spazio utile che può essere occupato dal dispositivo di accumulo.

Preferibilmente detto condotto idraulico ha almeno una faccia piana fissata ad una faccia della rispettiva cella fotovoltaica da parte opposta all’uscita ottica, ad esempio tramite una colla termicamente conduttiva, eventualmente con l’interposizione di un elemento in un materiale termicamente conduttivo.

Preferibilmente detto condotto idraulico è in un materiale termicamente conduttivo . Preferibilmente lo spessore delle pareti di detto condotto idraulico è minore di o uguale a 5 mm, più preferibilmente minore di o uguale a 3 mm.

Alternativamente ciascun condotto idraulico alloggia internamente una rispettiva cella fotovoltaica, il condotto idraulico essendo almeno parzialmente trasparente ed essendo fissato al sistema di concentrazione ottica in corrispondenza della rispettiva uscita ottica.

Preferibilmente detto condotto idraulico ha un profilo perimetrale su una generica sezione ortogonale a forma di D o rettangolare.

Preferibilmente il pannello comprende un isolamento termico disposto attorno ad almeno una porzione dello sviluppo perimetrale del condotto idraulico sulla generica sezione ortogonale (detta porzione non comprendendo detto lato in contatto termico con la rispettiva cella fotovoltaica, preferibilmente detta porzione escludendo solo detto lato). Preferibilmente detto isolamento termico è in un materiale termicamente isolante (e.g. avente una conducibilità termica minore di 1 W•m<-1>•K<-1>, più preferibilmente minore di o uguale a 0.1 W•m<-1>•K<-1>), quale ad esempio una schiuma solida isolante.

In una forma realizzativa detto condotto idraulico è ricavato all’interno del sistema rifrattivo del rispettivo sistema di concentrazione. Vantaggiosamente in tal modo si libera ulteriore spazio per l’alloggiamento del dispositivo di accumulo da parte opposta all’uscita ottica rispetto alla cella. La porzione più esterna del dispositivo di accumulo può costituire così un elemento di supporto posteriore del pannello.

Preferibilmente detto condotto idraulico ha un profilo perimetrale su una generica sezione ortogonale a forma triangolare.

Preferibilmente il pannello comprende un isolamento termico disposto attorno ad una porzione dello sviluppo perimetrale della cella fotovoltaica sulla generica sezione ortogonale esterna al lato in corrispondenza dell’uscita ottica.

Preferibilmente il sistema di concentrazione ottica ha una direzione di sviluppo prevalente ortogonale alla prima direzione di sviluppo, il sistema di concentrazione ottica avendo un profilo in sezione su un piano di sezione ortogonale a detta direzione di sviluppo prevalente. Per longitudinale si intende parallelo alla direzione di sviluppo prevalente.

Preferibilmente il sistema di concentrazione ottica ha un profilo in sezione (sostanzialmente) invariante per un continuum di posizioni del piano di sezione lungo almeno una porzione della lunghezza di sviluppo longitudinale del sistema di concentrazione, più preferibilmente lungo sostanzialmente l’intera lunghezza di sviluppo longitudinale (eventualmente ad eccezione delle facce di estremità longitudinale). Vantaggiosamente in tal modo il sistema di concentrazione è di tipo bidimensionale (2D), ossia concentra la radiazione sul generico piano ortogonale e non lungo la direzione longitudinale. Questo favorisce la possibilità di installazione terrestre statica o quasi-statica, laddove il sistema di concentrazione è orientato con la direzione longitudinale secondo la direttiva geografica est-ovest e con il suddetto piano ortogonale parallelo alla direttiva geografica Nord-Sud. Preferibilmente ciascuna cella fotovoltaica (intendendo con tale termine anche una striscia sostanzialmente continua di celle fotovoltaiche distinte e connesse elettricamente tra loro in serie) ha una direzione di sviluppo prevalente longitudinale.

Preferibilmente ciascuna porzione del dispositivo di accumulo dell’energia alloggiata in detta porzione di spazio ha una direzione di sviluppo prevalente longitudinale.

Preferibilmente detto condotto idraulico si sviluppa lungo la direzione longitudinale.

Preferibilmente ciascun sistema riflettente comprende (o consiste in) due sottoporzioni disposte da parti opposte rispetto ad un piano mediano parallelo alla prima direzione e alla direzione prevalente e passante per i punti mediani dei profili in sezione della rispettiva cella fotovoltaica. Più preferibilmente le due sottoporzioni sono tra loro speculari rispetto a detto piano mediano.

Preferibilmente le superfici reciprocamente affacciate delle due sottoporzioni del sistema riflettente hanno una riflettività maggiore di o uguale al 95%, più preferibilmente maggiore di o uguale al 99%, ancor più preferibilmente su tutto lo spettro visibile e del vicino infrarosso (e.g. almeno da circa 300 nm fino a circa 3000 nm). In tal modo vantaggiosamente, oltre ad aumentare l’efficienza di concentrazione, si limita il passaggio di calore attraverso il sistema riflettente dal vano interno alla suddetta porzione di spazio.

Preferibilmente detta porzione di spazio, per una sua sottoporzione lasciata libera da detta porzione di dispositivo di accumulo, è riempita di un materiale isolante, quale ad esempio una schiuma solida isolante.

Vantaggiosamente l’alta riflettività del sistema riflettente e/o il suddetto materiale isolante e/o l’isolamento termico del tubo, garantisce/ono un adeguato isolamento termico al dispositivo di accumulo collocato nella porzione di spazio, con il doppio risultato di ridurne la temperatura operativa e di migliorare lo scambio termico con il fluido termoconvettore riducendo la dispersione del calore residuo verso l’ambiente.

Preferibilmente il profilo in sezione di ciascun sistema riflettente comprende (o consiste in) due sottoporzioni disposte da parti opposte rispetto ad un asse mediano (o asse di simmetria) intersezione del suddetto piano mediano con il piano di sezione.

In una forma realizzativa il profilo in sezione del sistema rifrattivo è un triangolo avente una base in corrispondenza della sezione dell'uscita ottica e apice sull'asse di simmetria. Preferibilmente il profilo in sezione di ciascuna sottoporzione del sistema riflettente si sviluppa da un punto in prossimità del rispettivo vertice alla base del triangolo fino ad un punto di estremità sull'ingresso ottico, e comprende un segmento sostanzialmente conformato secondo una parabola avente asse formante con l’asse di simmetria un angolo di accettazione maggiore di zero e fuoco sull'asse di simmetria.

In una ulteriore forma realizzativa 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 interposti tra, e congiungenti, la prima e seconda base. Il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente è un segmento che si sviluppa in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, almeno una porzione del rispettivo lato in modo da riflettere una radiazione incidente verso il sistema rifrattivo, 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 una ulteriore forma realizzativa il sistema rifrattivo comprende una porzione inferiore supportante una porzione superiore. La larghezza minima della porzione inferiore è maggiore della larghezza massima della porzione superiore. L’uscita ottica giace su un lato inferiore della porzione inferiore, la larghezza minima della porzione inferiore essendo maggiore di o uguale alla larghezza dell’uscita ottica. Il profilo in sezione della porzione superiore ha un rapporto di aspetto (rapporto tra l’altezza lungo la prima direzione e la larghezza massima) minore di o uguale a 0.5, preferibilmente minore di o uguale a 0.3. Il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente si sviluppa da un rispettivo punto iniziale su un lato superiore della porzione inferiore e lateralmente adiacente alla, o in prossimità della, porzione superiore fino ad un punto di estremità sull'ingresso ottico, e comprende preferibilmente un segmento sostanzialmente conformato secondo una parabola.

In un ulteriore aspetto l’invenzione riguarda un sistema fotovoltaico comprendente almeno un pannello (più tipicamente una pluralità di pannelli) secondo la presente invenzione nelle diverse forme realizzative e, esternamente al pannello, una pompa idraulica per la circolazione forzata di detto fluido termoconvettore nei condotti idraulici e uno scambiatore di calore per sottrarre calore a detto fluido. Preferibilmente detto scambiatore è compreso in un accumulatore di calore, quale un serbatoio coibentato. Tipicamente il sistema fotovoltaico comprende un inverter.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, esemplari ma non esclusive, di un pannello fotovoltaico in accordo con la presente invenzione. Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento alle unite figure, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

- la figura 1 mostra in sezione ortogonale e parziale uno schema di principio di un pannello fotovoltaico in accordo con la presente invenzione; - la figura 2 mostra in sezione ortogonale schematica e parziale un pannello fotovoltaico in accordo con una prima forma realizzativa della presente invenzione;

- la figura 3 mostra in sezione ortogonale schematica e parziale un pannello fotovoltaico in accordo con una seconda forma realizzativa della presente invenzione;

- la figura 4 mostra in sezione ortogonale schematica e parziale un pannello fotovoltaico in accordo con una terza forma realizzativa della presente invenzione;

- la figura 5 mostra in sezione ortogonale schematica e parziale un pannello fotovoltaico in accordo con una quarta forma realizzativa della presente invenzione;

- la figura 6 mostra in sezione ortogonale schematica e parziale un pannello fotovoltaico in accordo con una quinta forma realizzativa della presente invenzione;

- la figura 7 mostra in sezione ortogonale schematica e parziale un pannello fotovoltaico in accordo con una sesta forma realizzativa della presente invenzione.

Con riferimento alle unite figure, con il numero di riferimento 1 è indicato genericamente un pannello fotovoltaico in accordo con la presente invenzione. Lo stesso numero di riferimento verrà usato per elementi uguali o simili, anche nelle loro diverse varianti realizzative.

Il pannello fotovoltaico 1 comprende una pluralità di sistemi di concentrazione ottica 2 della radiazione luminosa disposti reciprocamente affiancati e aventi un rispettivo ingresso ottico 3 e una rispettiva uscita ottica 4, e una pluralità di celle fotovoltaiche 5 disposte rispettivamente in corrispondenza delle uscite ottiche 4. Preferibilmente la lunghezza in sezione ortogonale delle celle fotovoltaiche è identica alla lunghezza delle uscite ottiche (come negli esempi illustrati).

Nelle figure sono mostrati un numero ridotto di sistemi di concentrazione 2. Ad esempio nelle figure 2 e 3 sono mostrati solo due sistemi di concentrazione e ciascuno solo parzialmente, nelle figure 4 e 5 sono mostrati tre sistemi di cui solo quello centrale in tutta la sua estensione ortogonale e nelle figure 5 e 6 sono mostrati tre sistemi 2 in tutta la loro estensione ortogonale. Tipicamente per convenienza fabbricativa e di ottimizzazione delle prestazioni i sistemi di concentrazione (così come le celle fotovoltaiche, le relative porzioni di dispositivo di accumulo e i relativi condotti) sono tutti tra loro identici.

Nella figura 1 sono mostrati con linee a punti e solo a scopo illustrativo le possibili aree di ingombro dei sistemi di concentrazione 2, senza che siano mostrate le relative strutture costitutive.

La presente invenzione contempla sistemi di concentrazione 2 di qualsiasi struttura, forma, materiali e prestazioni, posto che il guadagno geometrico sia maggiore di 1 e pertanto l’uscita ottica meno estesa dell’ingresso ottico. In tal modo una rispettiva porzione di spazio 6 esterna ai sistemi di concentrazione 2 viene ad essere delimitata da almeno due sistemi di concentrazione ottica 2 adiacenti e da un piano passante per (o interpolante, nel caso di uscite non planari) le due rispettive uscite ottiche 4. Tale porzione di spazio può essere fisicamente delimitata dai due sistemi di concentrazione adiacenti, come negli esempi delle figure 2-6, oppure può essere delimitata dai cammini ottici utili dei sistemi di concentrazione (nel senso che tali cammini ottici utili non invadono detta porzione di spazio 6), ad esempio nel caso di sistemi di concentrazione solo rifrattivi come nel documento sopra citato WO2012/017274A1

Preferibilmente il piano di giacenza di ciascuna uscita ottica 4 individua due semispazi (nelle figure corrispondenti a due semipiani giacenti sul piano di giacenza delle figure), ciascun rispettivo sistema di concentrazione 2 sviluppandosi interamente nel semispazio disposto da parte opposta alla rispettiva cella fotovoltaica 5 rispetto a detto piano di giacenza dell’uscita ottica.

Preferibilmente il pannello 1 comprende almeno una porzione 7 di un dispositivo di accumulo 8 dell’energia, detta porzione 7 essendo disposta in detta porzione di spazio 6.

Preferibilmente detta porzione di spazio 6, per una sua sottoporzione lasciata libera da detta porzione 7 di dispositivo di accumulo, è riempita di un materiale isolante 31, quale ad esempio una schiuma solida isolante.

Preferibilmente il pannello comprende una ulteriore porzione 9 del dispositivo di accumulo 8 dell’energia interposto tra almeno due, preferibilmente tra ciascuna coppia di, celle fotovoltaiche adiacenti.

Preferibilmente il pannello comprende una ancora ulteriore porzione 29 del dispositivo di accumulo 8 dell’energia costituente un elemento di supporto posteriore (ossia opposto agli ingressi ottici) del pannello. Preferibilmente detta ancora ulteriore porzione 29 del dispositivo di accumulo si estende solamente in un semispazio opposto al semispazio di giacenza dei sistemi di concentrazione ottica rispetto ad un piano di giacenza delle celle fotovoltaiche.

La presente invenzione contempla qualsiasi tipo di dispositivo di accumulo dell’energia, ad esempio a batterie ricaricabili (e.g. del tipo a ioni di litio o litio-polimero) oppure a supercondensatori.

Preferibilmente il pannello comprende (non mostrata, ad esempio disposta in corrispondenza di una porzione di lato o in un angolo del pannello visto in pianta) una unità elettronica di comando e controllo configurata per ottimizzare la produzione di energia elettrica prodotta dal pannello stesso e per caricare e scaricare il dispositivo di accumulo dell’energia (o sue porzioni). Ad esempio l’unità elettronica di comando e controllo è configurata per caricare e scaricare il dispositivo di accumulo sulla base di una predeterminata sequenza o sulla base di comandi esterni. Preferibilmente l’unità elettronica di comando e controllo comprende un sistema di ottimizzazione della potenza elettrica prodotta dal pannello e un sistema di comunicazione verso un elemento di controllo del sistema fotovoltaico comprendente più pannelli fotovoltaici.

Preferibilmente il sistema di concentrazione ottica ha una prima direzione di sviluppo 10 (giacente sul piano di giacenza delle figure) passante per detto ingresso ottico e detta uscita ottica, tipicamente ortogonale al piano di giacenza dell’uscita ottica e/ dell’ingresso ottico e della cella fotovoltaica.

Preferibilmente, come negli esempi mostrati, il sistema di concentrazione è a bassa concentrazione, tuttavia la presente invenzione contempla anche sistemi a media o alta concentrazione (e.g. il rapporto tra la larghezza in sezione dell’ingresso ottico e dell’uscita ottica maggiore di 10).

Come sopra accennato, il sistema di concentrazione può avere qualsiasi struttura, ad esempio può essere solamente rifrattivo (e.g. avente un’ottica rifrattiva primaria sull’ingresso e un’ottica refrattiva secondaria presso l’uscita, come nel documento sopra citato WO2012/017274A1), oppure solamente riflessivo oppure ancora misto (come negli esempi citati).

Un sistema di concentrazione 2 misto comprende un sistema riflettente 11 delimitante, insieme a detto ingresso ottico e detta uscita ottica, un vano interno 12 al sistema riflettente e un sistema rifrattivo 13 (e.g un corpo in vetro o PMMA con indice di rifrazione 1.5) posizionato internamente a detto vano interno 12.

Inoltre, il sistema di concentrazione può essere del tipo 3D (concentrazione su due piani tra loro ortogonali) oppure (in una forma preferita) 2D (concentrazione su un solo piano), in cui il profilo in sezione del sistema di concentrazione su un piano di sezione (e.g. il piano di giacenza delle figure) ortogonale a una direzione di sviluppo prevalente (e.g. ortogonale al piano di giacenza delle figure) è invariante per un continuum di posizioni del piano di sezione lungo sostanzialmente l’intera lunghezza di sviluppo longitudinale.

Preferibilmente, l’intero pannello 1 (inclusivo delle celle fotovoltaiche, del dispositivo di accumulo e del sistema di sottrazione del calore) ha un profilo in sezione sostanzialmente invariante per l’intera lunghezza di sviluppo longitudinale.

Preferibilmente il pannello comprende inoltre un sistema di sottrazione di calore comprendente per ogni cella fotovoltaica 5 un condotto idraulico 20 in contatto termico con la cella fotovoltaica e riempito, in uso, con un fluido termoconvettore, ad esempio una miscela di acqua e glicole (e.g. ai fini di antigelo), in circolazione (e.g forzata).

Preferibilmente almeno un lato del condotto idraulico 20 è in contatto (diretto o indiretto, ad esempio con l’interposizione di uno strato di colla conduttiva e/o di un elemento ad alta conduttività termica, non mostrato nelle figure 1, 2, 4 e 6, oppure di uno strato di materiale rifrattivo come mostrato nelle figure 3, 5 e 7) con la cella fotovoltaica.

Preferibilmente, come mostrato negli esempi delle figure 1, 2, 4 e 6, il condotto idraulico ha almeno una faccia piana (corrispondente ad un lato rettilineo nelle figure in sezione) fissata alla faccia della rispettiva cella fotovoltaica da parte opposta all’uscita ottica, ad esempio tramite una colla termicamente conduttiva, eventualmente con l’interposizione di un elemento in un materiale ad alta conduttività (non mostrato). In tal caso il condotto può essere in un materiale ad alta conduttività quale l’ottone o l’alluminio o l’acciaio.

In una forma realizzativa alternativa, non mostrata, ciascun condotto idraulico (che in tal caso può anche essere interamente coibentato e/o in materiale isolante) alloggia internamente una rispettiva cella fotovoltaica, il condotto idraulico essendo almeno parzialmente trasparente ed essendo fissato (e.g. con una colla trasparente) al sistema di concentrazione ottica in corrispondenza della rispettiva uscita ottica.

Preferibilmente il condotto idraulico ha un profilo perimetrale a forma di D. Preferibilmente il pannello comprende un isolamento termico 30 disposto attorno alla porzione dello sviluppo perimetrale del condotto idraulico esterna al lato in contatto termico con la rispettiva cella fotovoltaica.

In una forma realizzativa (come esemplarmente mostrato nelle figure 3, 5 e 7) il condotto idraulico 20 è ricavato all’interno del sistema rifrattivo 13 del sistema di concentrazione. Tale soluzione può anche essere abbinata ai condotti come mostrati e descritti con riferimento alle figure 1, 2, 4 e 6, in modo che due condotti idraulici sono disposti da lati opposti della cella. La porzione più esterna del dispositivo di accumulo (ossia detta ancora ulteriore porzione 29) può costituire così un elemento di supporto posteriore del pannello.

In altre forme di realizzazione, il condotto idraulico 20 ha un profilo perimetrale a forma triangolare (fig.3) o rettangolare (fig 5 e 7).

Preferibilmente il pannello comprende un isolamento termico 32 disposto attorno alla porzione dello sviluppo perimetrale della cella fotovoltaica esterna al lato posto in corrispondenza dell’uscita ottica.

Preferibilmente il profilo in sezione di ciascun sistema riflettente 11 consiste in due sottoporzioni disposte da parti opposte rispetto ad un asse mediano 10 parallelo alla prima direzione e passante per il punto mediano del profilo in sezione della cella fotovoltaica intersezione del suddetto piano mediano con il piano di sezione.

Preferibilmente le due sottoporzioni sono tra loro speculari rispetto a detto piano mediano.

Come esemplarmente mostrato nelle figure 2 e 3, in una forma realizzativa il profilo in sezione del sistema rifrattivo 13 è un triangolo avente una base in corrispondenza della sezione dell'uscita ottica e apice sull'asse di simmetria 10. Il profilo in sezione di ciascuna sottoporzione del sistema riflettente 11 si sviluppa da un punto in prossimità del rispettivo vertice alla base del triangolo fino ad un punto di estremità sull'ingresso ottico, e comprende un segmento sostanzialmente conformato secondo una parabola avente asse formante con l'asse di simmetria un angolo di accettazione maggiore di zero e fuoco sull'asse di simmetria. Esemplarmente un coperchio 35 in materiale trasparente chiude i vani interni 12 dei sistemi riflettenti.

Ulteriori dettagli di un siffatto sistema di concentrazione sono contenuti nei documenti sopra citati AU-A-70929/87 e WO 2013/030720A1.

Come esemplarmente mostrato nelle figure 4 e 5, in una forma realizzativa il profilo in sezione del sistema rifrattivo 13 ha una prima base, preferibilmente sostanzialmente rettilinea, coincidente con la sezione dell'uscita ottica 4, una seconda base coincidente con la sezione dell'ingresso ottico 3 e un primo e secondo lato interposti tra, e congiungenti, la prima e seconda base. Il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente 11 è un segmento (e.g. rettilineo) che si sviluppa in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, almeno una porzione del rispettivo lato del sistema rifrattivo in modo da riflettere una radiazione incidente verso il sistema rifrattivo, 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.

Ulteriori dettagli di un siffatto sistema di concentrazione sono contenuti nel documento sopra citato MI2011A002294.

Come esemplarmente mostrato nelle figure 6 e 7, in una forma realizzativa il sistema rifrattivo 13 comprende una porzione inferiore supportante una porzione superiore (e.g. in pezzo unico con la porzione inferiore). La larghezza minima della porzione inferiore è maggiore della larghezza massima della porzione superiore. L’uscita ottica 4 giace su un lato inferiore della porzione inferiore, la larghezza minima della porzione inferiore essendo maggiore di o uguale alla larghezza dell’uscita ottica. Il profilo in sezione della porzione superiore (e.g. a forma trapezoidale) ha un rapporto di aspetto (rapporto tra l’altezza lungo la prima direzione 10 e la larghezza massima) minore di o uguale a 0.5, preferibilmente minore di o uguale a 0.3. Il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente si sviluppa da un rispettivo punto iniziale su un lato superiore della porzione inferiore e lateralmente adiacente alla, o in prossimità della, porzione superiore fino ad un punto di estremità sull'ingresso ottico, e comprende preferibilmente un segmento sostanzialmente conformato secondo una parabola.

Esemplarmente un coperchio 36 in materiale trasparente chiude i vani interni 12 dei sistemi riflettenti ed introduce una ulteriore rifrazione per mezzo di un profilo a lente convergente.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pannello fotovoltaico (1) comprendente una pluralità di sistemi di concentrazione ottica (2) disposti reciprocamente affiancati e aventi un rispettivo ingresso ottico (3) e una rispettiva uscita ottica (4), e una pluralità di celle fotovoltaiche (5) disposte rispettivamente in corrispondenza delle uscite ottiche, dove una rispettiva porzione di spazio (6) esterna ai sistemi di concentrazione è delimitata da almeno due sistemi di concentrazione ottica (2) adiacenti e da un piano passante per dette due rispettive uscite ottiche, e dove il pannello comprende almeno una porzione (7) di un dispositivo di accumulo dell’energia (8) prodotta da dette celle fotovoltaiche (5) disposta in detta porzione di spazio (6).
2. Pannello secondo la rivendicazione 1, comprendente almeno una rispettiva porzione (7) del dispositivo di accumulo dell’energia (8) disposta in una rispettiva porzione di spazio (6) esterna ai sistemi di concentrazione e delimitata da ciascuna coppia di sistemi di concentrazione adiacenti e da detto piano passante per dette due rispettive uscite ottiche (4) di detta coppia.
3. Pannello secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente una ulteriore porzione (9) del dispositivo di accumulo dell’energia interposto tra almeno due celle fotovoltaiche consecutive e/o comprendente una ancora ulteriore porzione (29) del dispositivo di accumulo dell’energia (8) costituente un elemento di supporto posteriore del pannello, dove detta ancora ulteriore porzione (29) del dispositivo di accumulo si estende solamente in un semispazio opposto al semispazio di giacenza dei sistemi di concentrazione ottica rispetto ad un piano di giacenza delle celle fotovoltaiche.
4. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove il guadagno geometrico è maggiore di o uguale a 1.5 e/o minore di o uguale a 10 e dove il pannello comprende un’unità elettronica di comando e controllo configurata per caricare e scaricare almeno una porzione del dispositivo di accumulo dell’energia.
5. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un sistema di sottrazione di calore configurato per sottrarre calore alle celle fotovoltaiche, dove il sistema di sottrazione di calore comprende un condotto idraulico (20) in contatto termico con almeno una di dette celle fotovoltaiche.
6. Pannello secondo la rivendicazione precedente, dove detto condotto idraulico (20) ha almeno una faccia piana fissata ad una faccia della rispettiva almeno una cella fotovoltaica (5) da parte opposta all’uscita ottica (4) e dove detto condotto idraulico è in un materiale termicamente conduttivo.
7. Pannello secondo la rivendicazione 5, dove ciascun condotto idraulico (20) alloggia internamente una rispettiva cella fotovoltaica (5), il condotto idraulico essendo almeno parzialmente trasparente ed essendo fissato al sistema di concentrazione ottica in corrispondenza della rispettiva uscita ottica (4).
8. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, comprendente inoltre un isolamento termico (30) disposto attorno ad almeno una porzione dello sviluppo perimetrale del condotto idraulico (20) sulla generica sezione ortogonale, dove detto isolamento termico è in un materiale termicamente isolante avente una conducibilità termica minore di 0.1 W•m<-1>•K<-1>.
9. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, dove detto condotto idraulico (20) è ricavato all’interno di un sistema rifrattivo (13) del rispettivo sistema di concentrazione.
10. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove il pannello comprende un isolamento termico (32) disposto attorno ad una porzione dello sviluppo perimetrale della cella fotovoltaica sulla generica sezione ortogonale esterna al lato della cella fotovoltaica (5) posto in corrispondenza dell’uscita ottica (4).
11. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove il sistema di concentrazione ottica (2) ha una direzione di sviluppo prevalente e dove il sistema di concentrazione ottica ha un profilo in sezione sostanzialmente invariante per un continuum di posizioni del piano di sezione lungo sostanzialmente l’intera lunghezza di sviluppo longitudinale del sistema di concentrazione.
12. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove detta porzione di spazio (6), per una sua sottoporzione lasciata libera da detta porzione (7) del dispositivo di accumulo (8), è riempita di un materiale termicamente isolante (31).
13. Pannello secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, dove ciascun sistema di concentrazione ottica (2) comprende un sistema riflettente (11) delimitante, insieme a detto ingresso ottico e detta uscita ottica, un vano interno (12) al sistema riflettente, dove ciascun sistema di concentrazione ottica comprende un sistema rifrattivo (13) posizionato internamente a detto vano interno, dove ciascun sistema riflettente comprende due sottoporzioni a sviluppo prevalente longitudinale disposte da parti opposte rispetto ad un piano mediano parallelo alla prima direzione e alla direzione prevalente e passante per i punti mediani dei profili in sezione della rispettiva cella fotovoltaica e dove le superfici reciprocamente affacciate delle due sottoporzioni del sistema riflettente hanno una riflettività maggiore di o uguale al 95% almeno per una porzione di spettro da circa 300 nm fino a circa 2000 nm.
14. Pannello secondo la rivendicazione precedente, dove il profilo in sezione del sistema rifrattivo (13) è un triangolo avente una base in corrispondenza della sezione dell'uscita ottica (4) e apice su un asse di simmetria (10), dove il profilo in sezione di ciascuna sottoporzione del sistema riflettente (11) si sviluppa da un punto in prossimità del rispettivo vertice alla base del triangolo fino ad un punto di estremità sull'ingresso ottico (3), e comprende un segmento sostanzialmente conformato secondo una parabola avente asse formante con l’asse di simmetria un angolo di accettazione maggiore di zero e fuoco sull'asse di simmetria.
15. Pannello secondo la rivendicazione 13, dove il profilo in sezione del sistema rifrattivo (13) ha una prima base, sostanzialmente rettilinea, coincidente con la sezione dell'uscita ottica (4), una seconda base coincidente con la sezione dell'ingresso ottico (3) e un primo e secondo lato interposti tra, e congiungenti, la prima e seconda base, dove il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente è un segmento che si sviluppa in sovrapposizione a, o nelle immediate adiacenze di, almeno una porzione del rispettivo lato in modo da riflettere una radiazione incidente verso il sistema rifrattivo, 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.
16. Pannello secondo la rivendicazione 13, dove il profilo in sezione del sistema rifrattivo (13) comprende una porzione inferiore supportante una porzione superiore, dove la larghezza minima della porzione inferiore è maggiore della larghezza massima della porzione superiore, dove la sezione dell’uscita ottica (4) giace su un lato inferiore della porzione inferiore, la larghezza minima della porzione inferiore essendo maggiore di o uguale alla larghezza della sezione dell’uscita ottica, dove il profilo in sezione della porzione superiore ha un rapporto tra l’altezza lungo la prima direzione e la larghezza massima minore di o uguale a 0.5, e dove il profilo in sezione di ciascuna semi-porzione del sistema riflettente si sviluppa da un rispettivo punto iniziale su un lato superiore della porzione inferiore e lateralmente adiacente alla, o in prossimità della, porzione superiore fino ad un punto di estremità sull'ingresso ottico, e comprende preferibilmente un segmento sostanzialmente conformato secondo una parabola.