ITMO20080285A1 - Dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica. - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO RICEVITORE DI RAGGI SOLARI PER SISTEMI FOTOVOLTAICI DI CONVERSIONE DELL'ENERGIA SOLARE IN ENERGIA ELETTRICA E/O TERMICA".

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha per oggetto un dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica, particolarmente per sistemi a concentrazione.

Sono noti dispositivi di ricezione dei raggi solari che comprendono una struttura di supporto di una pluralità di celle fotovoltaiche, le quali comprendono uno strato in materiale semiconduttore drogato, atto ad essere esposto ai raggi solari per la conversione dell'energia solare in energia elettrica .

Tali celle fotovoltaiche comprendono dei rebbi in materiale elettricamente conduttore, disposti sulla superficie esposta dello strato semiconduttore e atti alla captazione e la conduzione delle cariche (elettroni) scalzate dalla banda di valenza dalla radiazione incidente sul materiale semiconduttore stesso.

I rebbi sono tra loro collegati mediante uno o più contatti collettori formati di materiale elettricamente conduttore e disposti sulla superficie esposta dello strato di materiale semiconduttore .

Tale contatto collettore è destinato ad essere il contatto catodico della cella fotovoltaica.

In corrispondenza della superficie opposta alla superficie esposta dello strato è situata una lamina in materiale elettricamente conduttore atta ad essere il contatto anodico della cella.

Ciascuna cella è poi, generalmente, collegata in serie ad una o più altre celle a dar luogo ad uno o più moduli fotovoltaici.

Questi dispositivi di tipo noto non sono, comunque, scevri di inconvenienti tra i quali va annoverato il fatto che i contatti collettori, disposti sulla superficie esposta della cella rappresentano uno spazio buio e dunque non attivo della cella, diminuendone il rendimento di conversione dell'energia solare in energia elettrica .

Si ha, infatti, che le celle fotovoltaiche note per sistemi a concentrazione sono dotate in genere di due, in alcuni casi di uno, contatti collettori anche detti "busbar". Un busbar è un contatto metallico, generalmente largo 0.7-1.0 mm e tipicamente lungo quanto l'intera cella, a cui si raccordano le sottili piste metalliche che formano i rebbi (cosiddetti "fingers") che raccolgono i portatori di carica nella parte esposta ai raggi solari della cella stessa. Tali contatti metallici, coprendo parte della superficie dello strato semiconduttore rendendola non attiva per la conversione fotovoltaica,<■>causano in un sistema presentante una pluralità di celle tra loro collegate, anche detto dense array, una diminuzione del "filling factor", ossia della superficie attiva rispetto a quella illuminata.

Inoltre, la disposizione spaziale di tali celle collegate tra loro in serie risulta spesso notevolmente complicata e per garantire un buon collegamento elettrico tra le celle è spesso necessario aumentare gli interspazi tra una cella e l'altra e/o aumentare il numero i contatti collettori tra gli stessi.

Le celle del dense array, infatti, devono essere fisicamente separate, presentando tra loro un gap, per evitare cortocircuiti fra celle (o piste metalliche) adiacenti che si trovino a potenziali elettrici diversi. Tale gap, generalmente stimabile fra un minimo di 0,lmm (100 micron) ed un massimo di 1 miri, comporta un ulteriore diminuzione della superficie attiva; considerato che le celle utilizzate in sistemi a concentrazione sono molto piccole (max 15xl5mm circa) anche un gap lungo le direzioni planari alla cella stessa di 0,5 mm ambo i lati comporta una perdita significativa del cosiddetto "packing factor" .

Le varie celle sono poi in genere riunite in moduli mediante contatti elettrici cablati. Sui moduli sono in genere allocati i diodi per la protezione contro il reverse breakdown. Tali diodi devono essere in grado di portare tutta la corrente prodotta da una cella (o più celle in parallelo) e dissipare la relativa potenza qualora le celle da essi protette venissero inversamente polarizzate a causa di una illuminazione insufficiente (ombreggiamento) delle celle stesse. Un problema riscontrato per tali diodi è quello della loro collocazione, in quanto il loro ingombro all'interno della zona illuminata porterebbe ad un decremento dell'efficienza di illuminazione delle celle stesse e dunque dell'efficienza di conversione energetica.

Inoltre, la presenza del diodo e la sua collocazione nel dense array può diminuire il filling factor, ad esempio, qualora si rendano necessari gap tra le celle più larghi per fare posto a piste di collegamento verso tali diodi. Questo fatto comporta un decremento ulteriore di rendimento di conversione di ciascun modulo fotovoltaico per la diminuzione del fattore di impacchettamento ("packing factor") tra le celle, per cui in un'area definita aumentando gli interspazi tra le celle aumenta la zona non attiva dal punto di vista fotovoltaico.

Compito precipuo del presente trovato è quello di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati della tecnica nota escogitando un dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica che consenta un efficace illuminazione delle celle fotovoltaiche, riducendo le zone buie e non attive della zona illuminata e garantendo un'elevata efficienza di conversione dell 'energia.

Ulteriore scopo del trovato è garantire un elevata efficienza di ricezione dell'energia solare, particolarmente per sistemi a concentrazione dotati di dispositivi di concentrazione primaria e secondaria dei raggi solari del tipo delle domande di brevetto copendenti a nome dello stesso richiedente .

Nell'ambito di tale compito tecnico, altro scopo del presente trovato è quello di presentare una struttura semplice, di relativamente facile attuazione pratica, di sicuro impiego ed efficace funzionamento, nonché di costo relativamente contenuto .

Questo compito e questi scopi vengono tutti raggiunti dal presente dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica, particolarmente per sistemi a concentrazione che comprende

almeno una struttura di supporto di almeno una pluralità di celle fotovoltaiche per la generazione di corrente elettrica, ciascuna delle quali comprendente

almeno uno strato realizzato in almeno un materiale semiconduttore drogato, sulla cui superficie destinata ad essere esposta ai raggi solari è disposta

- una pluralità di rebbi per la captazione della carica elettrica sviluppantesi su detta superficie esposta per effetto fotovoltaico, detti rebbi (104) essendo tra loro elettricamente collegati da un unico contatto collettore, a formare il contatto catodico di detta cella, disposto in una zona perimetrale di detta superficie esposta;

- almeno una lamina di conduzione disposta sulla superficie di detto strato opposta rispetto a detta superficie esposta, atta a formare il contatto anodico di detta cella,

caratterizzato dal fatto che detta pluralità di dette celle sono elettricamente collegate tra loro in serie e/o in parallelo ad occupare una zona destinata ad essere illuminata dai raggi solari di forma sostanzialmente quadrangolare, almeno le celle disposte in corrispondenza del perimetro di detta zona avendo i detti contatti collettori disposti in prossimità di detto perimetro per la massimizzazione della superficie esposta di detto strato .

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di dettaglio di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:

la figura 1 è uno schema del dispositivo ricevitore, secondo il trovato;

la figura 2 è un particolare di figura 1;

la figura 3 è una vista dall'alto di una cella fotovoltaica, secondo il trovato;

la figura 4 è una vista laterale di figura 3;

la figura 5 è uno schema costruttivo del dispositivo ricevitore, secondo il trovato;

la figura 6 è una vista dall'alto di un'alternativa forma di realizzazione di una cella fotovoltaica, secondo il trovato;

la figura 7 è una vista laterale di figura 6;

la figura 8 è una vista dall'alto di un modulo fotovoltaico, secondo il trovato;

la figura 9 è una vista dall'alto di una scheda dotata di circuiti stampati, della struttura di supporto di un dispositivo, secondo il trovato; la figura 10 è uno schema di un circuito elettrico di funzionamento della scheda di figura 9;

la figura 11 è una vista di figura 9 con evidenziati gli ingombri delle piazzole di saldatura dei diodi dì protezione delle celle fotovoltaiche, secondo il trovato;

la figura 12 è una vista in esploso di una sezione laterale di un modulo fotovoltaico, secondo il trovato;

la figura 13 è una vista di insieme di figura 12. Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con 100 un dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica, particolarmente per sistemi a concentrazione.

Il dispositivo 100 comprende almeno una struttura di supporto 101 di almeno una pluralità di celle 102,102' fotovoltaiche per la generazione di corrente elettrica, ad esempio per l'alimentazione di un circuito elettrico.

Ad esempio, il circuito elettrico è atto all'alimentazione di batterie d'accumulazione di energia elettrica e/o al collegamento, ad esempio, mediante inverter e simili alla rete elettrica.

Ciascuna cella 102,102' comprende almeno uno strato 103 realizzato in almeno un materiale semiconduttore drogato.

Le celle 102,102' sono realizzate con materiali dei gruppi III-V della tavola periodica degli elementi, quali ad esempio l'arseniuro di Gallio ed Indio GalnAs con substrato in Germanio. Materiali tipici per celle 102,102' a doppia giunzione sono GalnP/GaAs, per celle a tripla giunzione GalnP/GaAs/Ge oppure GalnP/GalnAs/Ge . Sono possibili molte varianti nei materiali base e drogaggi dello strato 103, con l'obiettivo di massimizzare il rendimento e adattare esattamente la cella 102,102' alla distribuzione spettrale della radiazione, che per le celle 102,102' a concentrazione terrestre è generalmente AM1.5D low-AOD (Air Mass 1.5 Direct, Low Aerosol Optical Depth) .

Sulla superficie 103a dello strato 103 destinata ad essere esposta ai raggi solari è disposta una pluralità di rebbi 104 per la captazione della carica elettrica sviluppantesi sulla superficie 103a esposta per effetto fotovoltaico.

I rebbi 104 sono tra loro elettricamente collegati da un unico contatto collettore 105, a formare il contatto catodico della cella 102,102', che è disposto in una zona perimetrale 103b della superficie esposta 103a.

Ciascuna cella 102,102' comprende, poi, almeno una lamina 106 di conduzione disposta sulla superficie 103c dello strato 103 opposta rispetto alla superficie esposta 103a; la lamina 106 è atta a formare il contatto anodico della cella 102,102'.

Vantaggiosamente la pluralità di celle 102,102' comprende una pluralità di celle principali 102 ed una pluralità di celle ausiliarie 102', che sono tra loro elettricamente isolate.

Particolarmente, la pluralità di celle principali 102 sono elettricamente collegate tra loro in serie e/o in parallelo ad occupare una zona R destinata ad essere illuminata presentante forma sostanzialmente quadrangolare e almeno le celle principali 102 disposte in corrispondenza del perimetro della zona R hanno i contatti collettori 105 disposti in prossimità del perimetro per la massimizzazione della superficie esposta 103a dello strato 103 e, dunque, delle celle principali stesse .

Vantaggiosamente, la zona R sostanzialmente quadrangolare presenta forma sostanzialmente rettangolare, i contatti collettori 105 sono definiti in corrispondenza dei lati di maggiore dimensione della zona R ed esternamente ad essa, per la massimizzazione del filling factor.

La zona R rettangolare, nella preferita forma di realizzazione, presenta dimensioni di 30 mm x 500 mm, tale area risulta particolarmente adatta all'impiego di un concentratore primario del tipo descritto nella domanda di brevetto copendente a nome dello stesso richiedente dal titolo "gruppo di convogliamento di raggi solari, particolarmente per sistemi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica" a cui si rimanda per i dettagli.

Vantaggiosamente, quindi il dispositivo 100 può essere impiegato in gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica del tipo a concentrazione, in particolare, utilizzanti dispositivi di concentrazione primaria del tipo descritto nella domanda di brevetto copendente a nome dello stesso richiedente di cui sopra e/o dispositivi concentratori secondari del tipo descritto nella domanda di brevetto copendente a nome dello stesso richiedente dal titolo "dispositivo convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica".

La pluralità di celle principali 102, inoltre, comprende almeno una coppia 107 di celle principali 102 collegate tra loro in parallelo, ovvero i contatti collettori 105 di ciascuna cella principale 102 della coppia 107 sono tra loro elettricamente collegati e i contatti anodici sono, anch'essi, tra loro elettricamente collegati .

Si ha, dunque, che la corrente elettrica generata dalla coppia 107 di celle principali 102 è sostanzialmente pari alla somma della corrente elettrica generata da ciascuna cella principale 102 della coppia 107.

La pluralità di celle principali 102 comprende, inoltre, una pluralità di coppie 107 che sono tra loro affiancate a formare una striscia 108 di forma sostanzialmente rettangolare e che sono elettricamente collegate tra loro in serie, ovvero il contatto collettore 105 di ciascuna cella principale 102 è elettricamente collegato con il contatto anodico delle/a celle/a principali/e 102 delle/a coppie/a 107 ad essa adiacenti/e.

La generica coppia N-esima della striscia 108 principale è formata da una coppia 107 di celle principali 102 collegate in parallelo. Tutte le coppie 107 della striscia 108 sono poi collegate in serie in modo da massimizzare la tensione di uscita, superiore a 100 VDC: la tensione esatta dipende dall'esatta larghezza della cella principale 102 scelta, e quindi dal numero di coppie 107 che si possono collocare nella zona R a flusso uniforme.

Le coppie 107 di celle principali 102 affiancate rispetto al loro lato di minore dimensione sono, come detto, collegate elettricamente in parallelo, quindi è necessario collegare le varie coppie 107 elettricamente in serie, per ottenere una tensione la più alta possibile.

Le celle 102,102' impiegabili sono, ad esempio, celle a giunzioni multiple, ad esempio, a doppia giunzione (presentanti un'efficienza tipica superiore al 30%) e tripla giunzione (presentanti un'efficienza tipica superiore al 33%). Le celle a singola giunzione, invece, hanno una efficienza tipica attorno al 25-28% e sono poco sensibili alle caratteristiche dello spettro luminoso, per cui il valore di efficienza indicato è facilmente raggiungibile, mentre le celle a giunzioni multiple richiedono che la distribuzione spettrale della luce concentrata abbia le stesse caratteristiche dello spettro "atteso" dalla cella (tipicamente AM1.5D low-AOD, ) ossia, ad esempio, la distribuzione spettrale terrestre a livello del mare per latitudini intermedie come Europa relativa alla luce solare diretta. Se lo spettro differisce sensibilmente da AM1.5D, in una cella a tripla giunzione (InGaP-GaAs-Ge o simile) le tre giunzioni interne produrranno correnti diverse, e l'output della cella sarà condizionato dalla giunzione interna meno illuminata, allontanandosi molto dal rendimento ottimale della cella stessa.

Spettri luminosi sbilanciati (ad es. verso la radiazione rossa, come al tramonto) e/o aberrazioni cromatiche nei sistemi di focalizzazione luminosa (es sistemi rifrattori basati su lenti di Fresnel) e/o assorbimenti importanti di parti dello spettro da parte di vetri o materiali di protezione davanti alle celle 102,102', possono avere un effetto fortemente avverso sulla efficienza di sistemi multigiunzione che appaiono, dunque, maggiormente efficienti, ma più critici nell'utilizzo.

Nell'ambito del trovato, si considerano due diversi tipi di cella 102,102' a concentrazione, che differiscono per la modalità di disposizione del contatto collettore 105 e dei rebbi 104 (cosiddetti "fingers") .

La cella 102,102', particolarmente, adottata presenta forma sostanzialmente rettangolare.

Nelle figura 2, 3 e 6 si mostra una disposizione del contatto collettore 105 adatta per raggiungere un filling factor molto elevato, ad esempio superiore al 90%, grazie al fatto che esso stesso si trova lateralmente alla zona illuminata, e quindi non sottrae energia utile.

In figura 3 la disposizione del contatto collettore sostanzialmente parallelo al lato corto della cella 102,102', non è ottimale dal punto di vista elettrico, in quanto i rebbi 104 sono collocati parallelamente al lato di maggiori dimensioni della cella stessa e quindi per evitare troppa dissipazione di corrente devono avere uno spessore relativamente elevato.

Tale disposizione del contatto collettore 105, appare comunque una disposizione preferibile per l'ottimizzazione della disposizione delle celle 102,102' in una zona R come descritta, infatti raggiunge tuttavia l'obiettivo di coprire con due sole celle 102,102' una larghezza di 30-32mm, avendo nel contempo il contatto collettore 105 posizionato al di fuori dalla zona R illuminata. Inoltre, il gap tra celle 102,102' adiacenti è preferibilmente, limitato a valori inferiori ai 0,5 miri.

Il packing e il filling factor risultanti sono molto elevati, in quanto tutta l'area esposta alla luce è attiva a meno della zona occupata dai rebbi 104 e dei gap fra una cella 102,102' e l'altra. Packing factors maggiori di 90% sono facilmente raggiungibili con tale disposizione che risulta, altresì particolarmente adatta e vantaggiosa nell'impiego sinergico di un dispositivo concentratore dei raggi solari come quello oggetto della domanda di brevetto copendente a nome dello stesso richiedente.

Si possono, altresì utilizzare celle 102,102', come mostrate in figura 6, con disposizione del contatto collettore 105 parallelo al lato lungo della cella 102,102', la quale è ottimale dal punto di vista elettrico.

Tale topologia non appare, in prima istanza ottimale nel dispositivo 100 in quanto due celle 102,102' coprirebbero una larghezza di soli 20mm, troppo stretta per le dimensioni della zona R illuminata .

Tale dimensione è invece compatibile con concentratori primari di dimensioni minori, che producano una zona illuminata di 20 mm, oppure con un concentratore dielettrico, come descritto nella domanda di brevetto copendente a nome dello stesso richiedente dal titolo "dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica", che può ridurre ulteriormente la dimensione del fascio solare incidente .

La cella 102,102' a concentrazione presenta un ristretto range dimensionale per essere adattato agli scopi del trovato, in particolare la dimensione netta della cella 102,102' lungo il lato di maggiore dimensione deve essere compresa fra 15 e 16 mm, a cui si aggiunge la larghezza del contatto collettore 105 compresa fra 0.7 ed l.Omm. La dimensione netta della cella stessa lungo il lato di minori dimensioni non può scendere sotto un rapporto 2:3 rispetto al lato di maggiore dimensioni per non rendere tale cella troppo fragile. Poiché le celle 102,102' devono essere protette individualmente con un diodo 109 (o a coppie se in parallelo), celle 102,102' troppo piccole potrebbero avere problemi nella allocazione dei diodi 109 stessi nella struttura di supporto 101.

Se l'incollaggio delle celle 102,102' alla struttura di supporto 101 viene fatto con nano-Ag, il lato di dimensione minore della cella 102,102' deve superare di poco i 10 mm per evitare difficoltà di evaporazione dei solventi.

Per aumentare il filling factor si potrebbe, inoltre, optare per celle 102,102' più estese, in quanto minimizzerebbero la perdita dovuta al gap tra una cella e l'altra.

Un buon compromesso tra l'una e l'altra esigenza sopra descritte si ottiene mediante una cella 102,102' con dimensioni lorde 11.0x16.0 mm e nette di 11x15. 25mm, con contatti collettori 105 disposti sul lato di minori dimensioni della cella stessa di 11.0x0.75mm.

Il dispositivo 100 comprende almeno due coppie 107' di celle ausiliarie 102', del tutto analoghe e disposte analogamente alle celle principali 102, disposte rispettivamente alle estremità opposte della striscia 108 lungo l'asse longitudinale della stessa.

Le coppie 107' di celle ausiliarie 102' sono elettricamente isolate dalla pluralità di coppie 107 di celle principali 102 e sono tra loro collegate in serie e/o in parallelo per l'alimentazione di un circuito elettrico di recupero dell'energia di sistema.

Come si può notare in figura 1 le estremità opposte della striscia presentano una zona a minore intensità luminosa e dunque energia solare disponibile, ad esempio, di 5-10 mm, in cui i raggi solari incidenti radenti faticano ad illuminare le celle in tal zona collocate. Tale zona ha già in partenza un flusso di energia molto inferiore, non essendo illuminata da buona parte parte dei riflettori ed essendo in piena zona di "blurring". La energia elettrica ivi generata potrà essere intercettata dalle celle ausiliarie 102' che non sono connesse in serie alle celle principali 102, ma vengono usate come generatore elettrico ausiliario, ad esempio di piccola potenza, destinato ad esempio alla ricarica di batterie che forniscono l'energia di autoconsumo dell 'impianto.

Tali celle ausiliarie 102' sono ad esempio, disposti in 4 gruppi e disposti a quadrante in corrispondenza dei vertici della zona R e oltre a generare energia possono essere monitorati dall'elettronica di controllo per verificare la precisione dell'inseguimento solare.

In particolare, nell'esempio riportato in figura 1 si hanno una coppia 107' di celle ausiliarie 102' per ogni vertice della zona R tra loro affiancate lungo la direzione parallela all'asse longitudinale della zona R stessa che sono elettricamente collegate in parallelo: poiché in questa zona ci sono forti variazioni di flusso luminoso, il collegamento in parallelo consente di raccogliere comunque energia utile.

Le quattro coppie 107' di celle ausiliarie 102' sono poi tra loro elettricamente collegate in serie e generano complessivamente una tensione superiore a 10 VDC, che tramite convertitore DC-DC può essere elevata al livello di 24VDC- 48VDC necessario per ricaricare le batterie di alimentazione dell'impianto.

I quattro voltaggi singolarmente generati dalle quattro coppie 107' di celle ausiliarie 102', sono monitorati dalla elettronica di controllo, e costituiscono un eccellente sensore di posizione per verificare l'esatto allineamento dell'impianto con il sole. L'elettronica cerca di mantenere questi voltaggi equilibrati, con ciò assicurando anche il massimo rendimento della striscia di celle principali 102 sviluppantesi centralmente alla zona R.

La corrente elettrica prodotta dalle celle ausiliarie 102" può essere ad esempio destinata all'alimentazione di batterie o altro, ad esempio collegate a sistemi di inseguimento solare del dispositivo 100 o altri usi indipendenti dal circuito elettrico a cui sono asservite le celle principali 102.

Le celle ausiliarie 102' sono disposte ai vertici della zona R sostanzialmente guadrangolare per la determinazione dell'illuminazione periferica della zona stessa.

Le celle ausiliarie 102' sono, infatti, atte ad essere collegate a mezzi di inseguimento solare, non mostrati in figura in quanto di tipo noto, associabili alla struttura di supporto 101.

Come detto, nella particolare forma di realizzazione, si hanno 4 gruppi di celle ausiliarie 102', collocate rispettivamente ai vertici della zona R, atti a formare un quadrante di sensori di illuminazione, si ha, infatti, che la potenza elettrica prodotta da ciascun gruppo è proporzionale all'illuminazione ricevuta nell'area occupata dalla celle ausiliarie 102'.

Tali celle ausiliarie 102' possono essere consultate, come noto al tecnico del ramo, ad esempio da sistemi di inseguimento solare che a seconda della risposta di illuminazione delle celle ausiliarie stesse pilotano l’orientazione del dispositivo 100 per un'illuminazione omogenea della zona R.

Il dispositivo 100 comprende mezzi di protezione almeno della superficie destinata ad essere esposta delle celle 102,102'.

I mezzi di protezione comprendendo, ad esempio, almeno un elemento sostanzialmente lastriforme 113 realizzato in materiale otticamente trasparente associato solidalmente alle celle 102,102'.

L'elemento sostanzialmente lastriforme 113 è ad esempio realizzato in vetro resistente agli sbalzi termici, come ad esempio vetro borosilicato, vetro pyrex, quarzo, silice fusa o altro e viene associato solidalmente alle celle principali 102 e alle celle ausiliarie 102' tramite l'applicazione di gel o mastice o resina siliconica trasparente 114 .

Inoltre, l'elemento sostanzialmente lastriforme 113 potrà esser dotato di trattamenti superficiali anti-rif lesso 115 per la massimizzazione dell'esposizione e captazione solare delle celle stesse .

La struttura di supporto 101, comprende una pluralità di schede 110 dielettriche dotate di circuiti stampati 111 per il collegamento in serie e in parallelo delle celle principali 102 e/o delle celle ausiliarie 102' come sopra descritto. Ciascuna scheda 110 porta un numero stabilito di celle principali 102 e/o celle ausiliarie 102' che formano un cosiddetto modulo fotovoltaico.

All'interno della zona R possono essere collocati una pluralità di moduli fotovoltaici tra loro affiancati ed elettricamente collegati in serie a formare la sopra detta striscia di celle principali 102 e celle ausiliarie 102'.

Ciascuna scheda 110 porta, inoltre, i collegamenti e l'alloggiamento di diodi 109 di protezione delle celle stesse.

I diodi 109 sono, ad esempio, indispensabili per prevenire il fenomeno cosiddetto del reverse breakdown, fenomeno che può causare la rottura delle celle stesse se queste vengono polarizzate inversamente a causa dell'oscuramento di una o più di esse all'interno di una pluralità di celle collegate elettricamente tra loro in serie.

Tali diodi 109 sono, agli scopi del presente trovato, collocati esternamente alla zona R.

Il dispositivo 100 è, quindi, composto da una serie di moduli fotovoltaici.

La scheda 110 è realizzata in materiale ceramico, ad esempio Nitruro di Alluminio, e viene collegata elettricamente in serie con la/ scheda/e ad essa adiacente ed intercettano il flusso di energia.

Le celle 102,102' sono frazionate su più moduli per limitare le dilatazioni differenziali fra i componenti, si ha infatti che il dispositivo 100 può essere associato a mezzi di raffreddamento, come quelli previsti nella domanda di brevetto copendente a nome dello stesso richiedente dal titolo "dispositivo convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica", dotati ad esempio di una piastra 214 di dissipazione termica associata solidalmente al dispositivo 100 e che tali mezzi di raffreddamento realizzati ad esempio in rame hanno un coefficiente di dilatazione lineare superiore .

Contenendo la lunghezza del modulo, si riducono le tensioni dovute alla dilatazione differenziale, e tali tensioni possono essere assorbite da un metallo di saldatura plastico come ad esempio 1 'Indio.

Nell'esempio mostrato nelle figure 5 e 8 un singolo modulo fotovoltaico presenta 6 coppie 107 di celle 102,102' ed i relativi diodi 109 di protezione .

Più moduli sono collegati in serie fino alla lunghezza complessiva di 480-500 mm, non superiore alla zona intermedia (interessata dalla celle principali 102) della zona R con illuminazione sostanzialmente costante.

Con le dimensioni della scheda 110 adottate preferenzialmente (68,4 mm lungo la direzione sostanzialmente parallela all'asse longitudinale della zona R x 65.5 mm lungo la direzione ad essa ortogonale) mostrate in figura, sono necessari 7 moduli per coprire una lunghezza di circa 479 mm: infatti si ha 7 x 68.4 = 478.8 mm.

Le dimensioni esatte dipendono ovviamente dal "gap" fra una cella 102,102' e l'altra, che può essere maggiore o minore dei 400 micron indicati: a seconda della precisione richiesta dei posizionamenti e l'eventuale debordo medio di materiale saldante.

Anche la dimensione della cella 102,102', 11 mm il suo lato di minori dimensioni nell'esempio, può essere facilmente variata di alcuni decimi di mm in più o in meno, per ottenere una lunghezza ottimale della striscia di moduli fotovoltaici.

E' anche possibile che i moduli centrali siano volutamente tenuti più corti se la zona intermedia ad illuminazione sostanzialmente costante presenta dimensioni ridotte e si possono aggiungere 1-2 coppie di celle ausiliarie 102' aggiuntive alloggiate in moduli ridotti periferici alla striscia di celle principali 102.

Nelle zone periferiche, ai vertici della zona R, come visto, si mettono ad esempio 4 coppie di celle ausiliarie 102' destinate ad intercettare l'energia residua, da destinare ad autoconsumo dell 'impianto.

Tali celle ausiliarie 102' saranno montate su schede 110' ausiliarie ceramiche sviluppate ad-hoc per la formazione di particolari moduli fotovoltaici indipendenti dai sopra citati moduli fotovoltaici interessanti le celle principali 102. In alternativa, tali schede 110' possono essere ottenute per sezionamento in parti e successivo adattamento dei moduli fotovoltaici standard usati nell'area centrale della zona R.

Nelle figure 9 e 11 si mostra il disegno delle piste nella faccia superiore del modulo. L'area centrale della scheda 110, destinata ad accogliere la saldatura delle celle principali 102 e/o delle celle ausiliarie 102', presenta una pista 112 conduttiva realizzata in uno strato metallico continuo sostanzialmente ortogonale all'asse longitudinale della zona R, per il collegamento elettrico in parallelo della coppia 107 di celle principali 102.

Se il materiale in cui è realizzata la scheda 110 è di tipo ceramico DBC (Direct Bond Copper) , il lato opposto (da saldare sui mezzi di raffreddamento) ha lo stesso disegno, per evitare che tensioni differenziali sulle due facce provochino una curvatura della ceramica e conseguente distacco di celle 102,102' o distacco del modulo stesso dai mezzi di raffreddamento stessi. Se la ceramica è metallizzata con altri procedimenti, tale precauzione non è necessaria ed il lato inferiore può essere continuo.

In figura 10 di riporta il circuito elettrico equivalente al modulo da sei coppie di celle principali 102. Si nota la polarizzazione invertita del diodo 109 rispetto alle celle. Ogni diodo 109 protegge una coppia 107 di celle principali 102, quindi la corrente sopportata deve essere minimo 40 Ampere, e preferibilmente 60 Ampere. Poiché sulla scheda stampata sono connessi entrambi i poli, sono utilizzabili diodi 109 doppi .

Ad esempio è idoneo alla protezione delle celle 102,102' un diodo 109 Schottky "On Semiconductor" tipo MBRB41H100CTT4G, package D2PAK 3, da 60 Ampere 100V.

Si osserva inoltre che mentre tutti i rami interni al modulo hanno il collegamento elettrico realizzato sulle piste, la coppia 107 di celle principali 102 più esterna al modulo è collegata elettricamente sul modulo precedente (o su una connessione elettrica comune).

In figura 11 si mostra la scheda 110 stampata con evidenziata la posizione di montaggio dei diodi di protezione in package D2PAK, nonché la posizione dei contatti metallici che trasportano la corrente dal contatto collettore 105 della cella principale 102 verso le piste 112 dei circuiti stampati sulla scheda 110.

Tali contatti sono saldati a stagno, incollato con paste sinterizzabili o anche saldato a ultrasuoni. Il contatto collettore 105 è, ad esempio, realizzato in lamina di argento morbido dì spessore 200 micron circa, o in rame ricotto argentato del medesimo spessore ed è collegato elettricamente alle piste della scheda 110, ad esempio, mediante contatti metallici, ad esempio anch'essi in argento morbido o rame ricotto argentato, e viene lavorato a pettine nella estremità superiore in modo da diminuire gli sforzi sulla cella 102,102' dovuti a dilatazioni termiche differenziali. La profondità del pettine deve essere maggiore della larghezza del contatto collettore 105 (0.75mm), ossia circa 1.5 mm.

La dimensione contenuta e la forma sostanzialmente quadrata delle schede 110, minimizzano inoltre le problematiche di fatica nei materiali dovuta ai cicli termici continui a cui il modulo è soggetto.

Il modulo fotovoltaico è realizzato su una scheda 110 elettricamente isolante ma termicamente conduttiva in Nitruro di Alluminio (A1N), che presenta un coefficiente di conduttività termica superiore a 150 W/m°C. Il nitruro di alluminio deve essere metallizato su ambo i lati, o con procedimenti di laminazione a caldo di rame (DBC, Direct Bond Copper) , oppure per applicazione di paste metalliche (Ag oppure Cu) successivamente sinterizzate in forno, o con altri processi di metallizzazione. La doppia metallizzazione è richiesta, in quanto entrambi i lati della ceramica formante la scheda 110 devono essere saldabili, e nel lato metallizzato rivolto verso le celle 102,102' devono essere ricavate le piste 112 elettricamente conduttive del modulo fotovoltaico .

Il contatto anodico 106 della cella 102,102' fotovoltaica, viene saldato/incollato, mediante saldature/incollature 116 allo strato metallizzato superiore della scheda 110. In modo analogo, vengono saldati/incollati allo strato superiore della scheda stessa anche i contatti dei diodi 109 di protezione ed i contatti collettori 105.

Le saldature/incollature 116 sono realizzate tramite l'uso di materiali ad alta conduttività elettrica e termica e caratterizzati da una temperatura di applicazione non superiore a 300°C per non danneggiare celle e diodi. A titolo di esempio possono essere impiegati:

Leghe a basso punto di fusione contenenti stagno;

- Indio puro;

Colle a base di nanoparticelle di argento sinterizzabili a bassa temperatura;

Colle epossidiche caricate con particelle di argento .

Le temperature massime tollerate dalle saldature/incollature 116 utilizzate dovranno essere compatibili con l'applicazione, e quindi non inferiori a 150°C, meglio se superiori. In vista della facilità di realizzazione e anche della possibile ri-lavorazione dei moduli fotovoltaici, è bene che le temperature di fusione delle<'>saldature relative ai vari componenti seguano una schema gerarchico, con temperature di fusione differenziate di almeno 15-20°C come segue :

- La temperatura di fusione inferiore sarà quella della saldatura 116 fra il modulo fotovoltaico ed una piastra 214 di dissipazione termica, ad esempio metallico. Tale scelta consente di montare/smontare un intero modulo fotovoltaico sulla/dalla piastra 214 stessa senza danneggiare le saldature superiori dei componenti il modulo. A titolo di esempio tale saldatura potrà essere realizzata in Indio puro (fusione a 153 °C) oppure con leghe SnPb (fusione a circa 180 °C) o anche essere un semplice accoppiamento meccanico con interposizione di metallo liquido (Indio-Gallio) o altri materiali termici che migliorino la trasmissione di calore senza fissare in modo permanente i moduli;

La saldatura 116 delle celle 102,102' alla scheda 110 sarà realizzata con il materiale a punto di fusione più elevato, ad esempio leghe "lead-f ree" SAC (SnAgCu) con punto di fusione di circa 220°C oppure colle sinterizzabili Ag (punto fusione > 900°C);

Le saldature 116 dei diodi 109 e contatti collettore 105 potranno essere nuovamente SAC oppure un valore inferiore.

Si è in pratica constatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti ed, in via principale, si sottolinea il fatto che viene ottimizzata l'efficienza di illuminazione delle celle e, dunque l'efficienza di conversione delle stesse .

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire dall'ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1)Dispositivo (100) ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica, particolarmente per sistemi a concentrazione che comprende almeno una struttura di supporto (101) di almeno una pluralità di celle (102, 102') fotovoltaiche per la generazione di corrente elettrica, ciascuna delle quali comprendente - almeno uno strato (103) realizzato in almeno un materiale semiconduttore drogato, sulla cui superficie (103a) destinata ad essere esposta ai raggi solari è disposta - una pluralità di rebbi (104) per la captazione della carica elettrica sviluppantesi su detta superficie esposta (103a) per effetto fotovoltaico, detti rebbi (104) essendo tra loro elettricamente collegati da - un unico contatto collettore (105), a formare il contatto catodico di detta cella (102, 102'), disposto in una zona perimetrale (103b) di detta superficie esposta (103a); - almeno una lamina (106) di conduzione disposta sulla superficie (103c) di detto strato opposta rispetto a detta superficie esposta (103a), atta a formare il contatto anodico di detta cella (102, 102’ ), caratterizzato dal fatto che detta pluralità di dette celle (102, 102') sono elettricamente collegate tra loro in serie e/o in parallelo ad occupare una zona R destinata ad essere illuminata dai raggi solari di forma sostanzialmente quadrangolare, almeno le celle (102, 102') disposte in corrispondenza del perimetro di detta zona avendo i detti contatti collettori (105) disposti in prossimità di detto perimetro per la massimizzazione della superficie esposta (103a) di detto strato (103). 2)Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta zona (R) sostanzialmente quadrangolare presenta forma sostanzialmente rettangolare, detti contatti collettori (105) essendo definiti in corrispondenza dei lati di maggiore dimensione di detta zona (R) sostanzialmente rettangolare ed esternamente ad essa. 3)Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di celle (102,102') comprende una pluralità di celle principali (102) ed una pluralità di celle ausiliarie (102)', tra loro elettricamente isolate. 4)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di celle principali (102) comprende almeno una coppia (107) di dette celle principali (102) collegate tra loro in parallelo (detti contatti collettori (105) essendo tra loro elettricamente collegati e detti contatti anodici essendo tra loro elettricamente collegati) la corrente elettrica generata da detta coppia (107) di celle principali (102) essendo sostanzialmente pari alla somma della corrente elettrica generata da ciascuna cella principale (102) di detta coppia (107) di celle principali stesse. 5)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di celle principali (102) comprende una pluralità dì dette coppie (107) di celle principali (102) tra loro affiancate a formare una striscia (108) di forma sostanzialmente rettangolare ed elettricamente collegate tra loro in serie (detto contatto collettore (105) di ciascuna cella principale (102) essendo elettricamente collegato con il contatto anodico delle/a celle/a principali/e (102) delle/a coppie/a (107) ad essa adiacenti/e). 6)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno due coppie (107') di dette celle ausiliarie (102'), disposte rispettivamente alle estremità opposte di detta striscia (108) lungo l'asse longitudinale della stessa, elettricamente isolate da detta pluralità di dette coppie (107) di celle (102) e tra loro collegate in serie e/o in parallelo per l'alimentazione di un circuito elettrico di recupero dell'energia di sistema. 7)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette celle ausiliarie (102') sono disposte ai vertici di detta zona (R) sostanzialmente quadrangolare per la determinazione dell'illuminazione periferica della zona stessa, dette celle ausiliarie (102') essendo atte ad essere collegate a mezzi di inseguimento solare associabili a detta struttura di supporto (101) . 8)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di protezione almeno della superficie esposta (103a) di dette celle (102, 102'), detti mezzi di protezione comprendendo almeno un elemento sostanzialmente lastriforme (113) realizzato in materiale otticamente trasparente associato solidalmente a dette celle (102, 102').