ITMO20080286A1 - Dispositivo convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO CONVOGLIATORE SECONDARIO DI RAGGI SOLARI, PARTICOLARMENTE PER GRUPPI DI CONVERSIONE DELL'ENERGIA SOLARE IN ENERGIA ELETTRICA E/O TERMICA" .

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha per oggetto un dispositivo convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica .

Sono noti dispositivi convogliatori secondari che comprendono una struttura di supporto di un riflettore secondario del tipo a concentrazione dei raggi solari, che è disposto in una regione perimetrale di una zona destinata ad essere illuminata da raggi solari incidenti per la concentrazione verso tale zona e, dunque, il recupero dei raggi più esterni.

Nella zona destinata ad essere illuminata sono alloggiati, generalmente, un generatore termico oppure un ricevitore fotovoltaico dotato di una pluralità di celle fotovoltaiche per la conversione dell'energia solare incidente in energia elettrica.

In generale, un dispositivo concentratore solare è un dispositivo ottico che raccoglie l'energia luminosa di fonte solare incidente su un'area Al di ingresso al dispositivo, e la convoglia su un'area A2 di uscita dal dispositivo stesso, con l'area di uscita tipicamente di dimensioni inferiori all'area di ingresso. Si definisce concentrazione geometrica Cgeom il rapporto fra l'area Al di ingresso e l'area A2 di uscita, ovvero Cgeom = Al / A2.

Si può dimostrare che la concentrazione massima Cmax ottenibile da un concentratore ottico comunque costruito, è limitata dalle leggi della termodinamica ai seguenti valori:

Cmax (2D) = n / sin (Θ)

Cmax (3D) = n<2>/ sin<2>(Θ)

dove Θ è il semi-angolo del campo angolare di ingresso della radiazione nell'apertura di raccolta, n l'indice di rifrazione del mezzo con cui il concentratore è costruito (sistemi rifrattori) . La prima equazione si applica a sistemi 2D, ad esempio sistemi lineari quali il "parabolic trough", la seconda ai sistemi 3D quali il "parabolic dish". Come intuitivo, la concentrazione massima di un sistema 3D è il quadrato della concentrazione massima in 2D.

Per sistemi che concentrano la luce solare diretta, il valore Θ è il semi-angolo del disco solare, convenzionalmente assunto costante e pari a 0,267° (gradi) oppure 4,66 mrad (milli radianti), ed indicato anche con 0s. Si osserva che 0s varia leggermente nel corso dell'anno.

Per sistemi ottici di concentrazione a doppio stadio, dotati di concentratore secondario, ad esempio, di tipo "non imaging" dove D è il diametro dello specchio primario, F la lunghezza focale dello specchio primario, il "rim angle" è il semi-angolo, generalmente indicato con la lettera Φ, con cui il concentratore secondario vede gli estremi dello specchio principale.

L'uso di concentratori secondari non aumenta la possibilità teorica di concentrazione della luce solare, che resta definita dalle equazioni sopra esposte, ma rende il limite teorico più facilmente avvicinabile nella pratica. Si ha, infatti, che la concentrazione di sistemi a doppio stadio raggiunge facilmente l'80% del limite teorico, quando quella di sistemi a singolo stadio non supera il 25% del limite termodinamico.

In linea di principio, se si rinuncia alla massima concentrazione teorica difficilmente raggiungibile, l'introduzione del dispositivo convogliatore secondario rende il sistema ottico complessivo meno dipendente dagli errori di forma del dispositivo convogliatore primario e dalla precisione nel puntamento.

Sono noti differenti tipologie di dispositivi convogliatori secondari, ad esempio del tipo "non-imaging" , ideali che possono essere utilizzati. Fra i più noti si elenca di seguito: a) il cosiddetto CPC (Compound Parabolic Concentrator ), il quale presenta un numero di riflessioni medie > 1,1.

b) il cosiddetto CEC (Compound Elliptical Concentrator) . Molto usato come secondario per sistemi a due stadi con primario parabolico avente rapporto focale f > 1 e numero di riflessioni medie > 1,1.

c) il cosiddetto concentratore "Trumpet" o "Flowline concentrator". Concentratore presentante una forma derivante da una curva di rivoluzione a generatrice iperbolica, utilizzato per sistemi a focale f < 1 e un numero riflessioni < 0,3.

d) il cosiddetto CHC (Compound Hyperbolic Concentrator ) che è simile al concentratore "Trumpet", ma con due rami di iperbole con caratteristiche differenti.

Tutti i dispositivi convogliatori secondari sopracitati sono ideali, nel senso che sono teoricamente in grado di raggiungere il limite termodinamico 2D, mentre in 3D il solo dispositivo convogliatore che può essere definito ideale è il concentratore tipo "trumpet".

Questi dispositivi convogliatori secondari di tipo noto non sono, comunque, scevri di inconvenienti tra i quali va annoverato il fatto che nella realtà, i concentratori di cui sopra sono ideali solo a livello teorico, in fatti, se realizzati come effettivamente devono essere progettati da letteratura, risultano spesso inutilizzabili, in quanto richiedono troppo materiale e/o sono troppo ingombranti e schermanti il dispositivo convogliatore primario. Quindi un loro utilizzo pratico, richiede comunque una fase di cosiddetto "tailoring" del dispositivo stesso.

Si ha che attraverso analisi e calcoli con software di "ray tracing" si ottimizza il disegno del dispositivo convogliatore.

In pratica la dimensione del dispositivo viene tagliata quando gli svantaggi, anche di costo, superano i vantaggi. Per assunzioni ragionevoli del punto di taglio, la perdita energetica può essere inferiore ad 1%.

Inoltre, un ragione più profonda che rende i dispositivi noti di cui sopra distanti dalla definizione di ideali, risiede nel fatto che il limite termodinamico vale esclusivamente nell'ipotesi che tutta l'apertura del dispositivo convogliatore secondario sia uniformemente illuminata .

Tale ipotesi è sostanzialmente impossibile da raggiungere con l’utilizzo di dispositivi convogliatori primari di tipo parabolici (generalmente utilizzati a tali scopi) , i quali producono una distribuzione energetica simile alla gaussiana, con un picco energetico nella zona centrale .

Se si rimuove l'ipotesi di uniformità dell’illuminazione è, comunque, possibile progettare dispositivi convogliatori secondari con efficienza reale pari a circa il 90% del limite termodinamico, mentre i concentratori cosiddetti "ideali" non superano nella pratica circa l'80% di tale limite. La progettazione di tali convogliatori secondari ad alta efficienza, richiede l'inclusione in un modello di calcolo dettagliato delle condizioni al contorno che esprimono l'effettiva illuminazione prodotta dal dispositivo primario.

I concentratori ottimizzati mediante calcolo, sono detti "Tailored Phase Space Concentrators" TPSC oppure TERCS. Concentratori TPSC reali possono avvicinare il 90% del limite termodinamico.

Compito precipuo del presente trovato è quello di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati della tecnica nota escogitando un dispositivo convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica che consenta una riflessione secondaria ottimizzata e sufficientemente uniforme sul ricevitore fotoelettrico.

Inoltre, uno scopo del dispositivo secondo il trovato è quello di presentare una facile riproduzione industriale su larga scala, agevole montaggio ed installazione nonché calibrazione.

Un'ulteriore scopo del dispositivo secondo il trovato è quello di essere agevolmente abbinato ad un dispositivo convogliatore primario, nonché ad un ricevitore fotovoltaico, ad esempio, del tipo descritto nelle domande di brevetto copendenti a nome dello stesso richiedente rispettivamente dal titolo "Dispositivo di convogliamento di raggi solari, particolarmente per sistemi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica" e "Dispositivo ricevitore di raggi solari per sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica" .

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 convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica, che comprende almeno una struttura di supporto di un riflettore secondario del tipo a concentrazione dei raggi solari di forma tronco-poliedrica internamente cavo e presentante basi contrapposte almeno trasparenti ai raggi solari, una prima dì dette basi, di minori dimensioni rispetto alla seconda di dette basi, posizionabile in una zona destinata ad essere illuminata da raggi solari incidenti e riflessi da detto riflettore ed associabile ad almeno un ricevitore fotovoltaico caratterizzato dal fatto che detta prima base presenta forma sostanzialmente quadrangolare, detto riflettore secondario comprendendo almeno un elemento riflettente, definente ciascuna faccia di detto riflettore, interposto tra dette basi e ciascuno di detti elementi riflettenti presentando forma sostanzialmente piano-iperbolica con convessità rivolta verso l'interno del riflettore stesso per 1 'omogenizzazione dei raggi solari riflessi da ciascun elemento riflettente in detta zona.

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 convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi 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 frontale del profilo piano-parabolico del dispositivo riflettore secondario, secondo il trovato;

la figura 2a è una vista schematica in sezione lungo il piano di sezione I-I di figura 3;

la figura 2b è un particolare di una vista schematica in sezione lungo il piano di sezione II-II di figura 3;

la figura 3 è una vista assonometrica del dispositivo riflettore secondario, secondo il trovato;

la figura 4 è una vista assonometrica di figura 3 con il dispositivo riflettore secondario affacciato ad un dispositivo convogliatore primario;

la figura 5 è una vista in sezione frontale di un dispositivo riflettore secondario,<1>secondo il trovato;

la figura 6 è una vista in esploso frontale del dispositivo riflettore secondario, secondo il trovato;

la figura 7 è una vista frontale di un'alternativa forma di realizzazione del dispositivo riflettore secondario, secondo il trovato;

la figura 8 è una vista laterale di figura 7;

la figura 9 è una vista assonometrica dell'alternativa forma di realizzazione del dispositivo riflettore secondario di figura 7 e 8; la figura 10, 11 e 12 sono una vista schematica dei mezzi di raffreddamento del dispositivo riflettore secondario, secondo il trovato;

le figure 10a e 10b sono particolari di figura 6; la figura 13 è una vista frontale di un'ulteriore alternativa forma di realizzazione del dispositivo riflettore secondario, secondo il trovato;

la figura 14 è una vista laterale di figura 13; la figura 15 è una vista assonometrica dell'ulteriore alternativa forma di realizzazione del dispositivo riflettore secondario di figura 13 e 14.

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con 200 un dispositivo convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica .

Il dispositivo 200 comprende almeno una struttura di supporto 201 di un riflettore 202 secondario del tipo a concentrazione dei raggi solari, il quale presenta forma tronco-poliedrica internamente cavo e presentante basi 203,204 contrapposte almeno trasparenti ai raggi solari. In particolare, dovendo concentrare i raggi solari immessi esso presenta una prima base 203, di uscita dei raggi solari dal riflettore 202 che ha minori dimensioni rispetto alla seconda base 204 di ingresso dei raggi solari nel riflettore stesso .

La prima base 203 è posizionabile in una zona R destinata ad essere illuminata da raggi solari incidenti e riflessi dal riflettore 202 stesso ed è associabile ad almeno un ricevitore 100 fotovoltaico, ad esempio, dotato di una pluralità di celle 102 fotovoltaiche.

Particolarmente, agli scopi del presente trovato la prima base 203 presenta forma sostanzialmente quadrangolare .

Inoltre, il riflettore 202 secondario comprende almeno un elemento riflettente 205a, 205b, definente ciascuna faccia del riflettore 202 di forma tronco-poliedrica, interposto tra le basi 203,204 .

Ciascuno degli elementi riflettenti 205a, 205b presenta forma sostanzialmente piano-iperbolica con convessità rivolta verso l'interno del riflettore stesso per 1'omogenizzazione dei raggi solari riflessi da ciascun elemento riflettente 205a, 205b nella zona R.

La zona R sostanzialmente quadrangolare, vantaggiosamente, presenta forma sostanzialmente rettangolare .

Particolarmente, la zona R e, dunque, la prima base 203 presenta dimensioni, compatibili con il dispositivo convogliatore primario, genericamente indicato con il numero 1, scelto e/o con il ricevitore 100 fotovoltaico e, ad esempio, presenta dimensioni di 32,5 x 500 mm.

Gli elementi riflettenti 205a posizionati in corrispondenza dei lati di maggiore dimensione della zona R sono tra loro disposti simmetricamente rispetto all'asse mediano longitudinale della zona R stessa per l'illuminazione sostanzialmente omogenea del ricevitore 100 fotovoltaico.

Gli elementi riflettenti 205b, disposti in corrispondenza dei lati di minore dimensione della zona R, sono tra loro disposti simmetricamente rispetto all'asse mediano sostanzialmente ortogonale all'asse mediano longitudinale e presentano curvatura diversa rispetto agli elementi riflettenti 205a, posizionati in corrispondenza dei lati di maggiore dimensione. La forma sostanzialmente piano-iperbolica di ciascun elemento riflettente 205a, potrebbe essere il risultato di calcolo ottimizzato TPSC/TERCS nel guale come condizioni al contorno sono inserite le caratteristiche del dispositivo convogliatore primario, ad esempio del tipo descritto nella domanda di brevetto copendente a nome dello stesso richiedente dal titolo "Dispositivo di convogliamento di raggi solari, particolarmente per sistemi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica".

Alternativamente, può essere utilizzato un profilo piano-iperbolico ideale, il quale presenta un ridotto numero di riflessioni, ad esempio, circa 0,3 e, dunque, significa che solo il 30% dei raggi che raggiungono l'area di uscita subiscono una riflessione .

Ipotizzando, dunque, una riflettività del 90-92%, le perdite per riflessione del riflettore 202 sono inferiori al 3%.

Nelle figure 1, 2a si mostra la forma dei profili piano-iperbolici degli elementi riflettenti 205a, vantaggiosamente abbinabile al dispositivo convogliatore di cui sopra che presenta dimensioni approssimative di 3 x 4.5 metri.

La prima base 203, presenta il lato di minore dimensione sostanzialmente pari alla distanza fra i vertici dell'iperbole, ad esempio di 32,5 mm. La seconda base 204, presenta il lato di minore dimensione di lunghezza virtuale di 67,0 mm.

Ciò corrisponde ad una concentrazione pari a C = 2,06.

La lunghezza della seconda base 204 è detta "virtuale" perché il segmento estremale tra i due elementi riflettenti 205a non è effettivamente tutto raggiungibile dai raggi, ma si può dimostrare che un raggio destinato a tale segmento estremale, e con inclinazione rispetto all'asse dell'iperbole inferiore all'angolo di accettazione, esce dall'apertura dopo zero, una o più riflessioni.

Nell'esempio riportato il cosiddetto "rim angle" reale, ovvero il semi-angolo dì ingresso dei raggi solari all'interno del dispositivo 200, è di 25.5°, mentre l'apertura asintotica del dispositivo 200 è di 29° ossia 3.5° più ampia. La concentrazione massima è 2,06, la quale consente di avere una seconda base 204 che presenta lato di minore dimensione (pupilla di ingresso del riflettore 202 lungo la direzione ortogonale alla direzione longitudinale della zona R) di 67mm e permette dimensioni della pupilla di uscita, ovvero della prima base 203 lungo la medesima direzione, fissata sulle dimensioni della zona R, ovvero di 32,5mm.

Con lo stesso procedimento visto per il lato di minore dimensione delle basi 203,204 e dunque della zona R, è possibile calcolare il profilo iperbolico per raccogliere raggi fuori bersaglio nella direzione parallela alla direzione longitudinale (di 500 mm) della zona R stessa, il profilo piano-iperbolico degli elementi riflettenti 205b è mostrato in particolare nella figura 2b.

Assunto che il lato maggiore del gruppo convogliatore primario sia di circa 4,0 metri, quindi il dispositivo 200 secondario dovrà accettare raggi da un semiangolo nominale di circa 34°, che diventano 37° effettivi per poter diminuire le dimensioni degli elementi riflettenti 205b .

La concentrazione massima lungo la direzione longitudinale della zona R è Cmax = 1,66 , quindi la larghezza della pupilla di ingresso passa da 500mm a 830mm (500x1,66), estendendo nominalmente la zona R di ben 165 mm per lato.

La riflessione dei raggi così recuperati, tuttavia, va a deteriorare l'uniformità della illuminazione, per cui si ha un lato della zona R che è sovra-illuminato, mentre un altro estremo resta progressivamente buio. Quindi è bene non utilizzare se non in minima parte la capacità di recupero dei raggi esterni fornita dai riflettori 205b, allo scopo di mantenere una elevata uniformità di illuminazione della zona R lungo la direzione maggiore (di 500mm circa) , lungo la quale sono collocate le celle fotovoltaiche elettricamente collegate in serie. Ciò consente anche di limitare le dimensioni dei riflettori 205b, che diventerebbero estremamente ingombranti se davvero si volesse estendere la pupilla di ingresso ai valori massimali.

Gli elementi riflettenti 205b, come si nota nelle figure 2a e 2b, respingono i raggi (tratteggiato in figura) troppo esterni ed inclinati, gli altri vengono recuperati e riflessi verso la zona R, occupata dalle celle 102.

Il dispositivo 200 con profilo piano-iperbolico descritto, oltre ad allargare la seconda base 204 e, dunque, la pupilla di ingresso al dispositivo secondario stesso di un fattore circa pari a 2 rispetto ad un sistema a singolo stadio, ha un effetto positivo sull'uniformità di illuminazione. La suddetta quota del 30% dì raggi che viene riflessa sugli elementi riflettenti 205a,205b, illumina in modo sostanzialmente uniforme tutta la prima base 203 e, dunque la zona R (pupilla d'uscita) , e riduce le differenze di uniformità dei raggi solari diretti. E' intuitivo che quanti più raggi subiscono riflessioni, tanto più migliora l'uniformità dell'illuminazione. La figura 2a mostra la distribuzione sostanzialmente uniforme dei raggi riflessi

Ma è altrettanto intuitivo che all'aumentare delle riflessioni, di contro, aumentano le perdite energetiche: ogni riflessione converte almeno il 5% della energia dei fotoni incidenti in energia termica .

Se il meccanismo di omogeneizzazione del fascio è quello della riflessione speculare metallica, si è studiato come non convenga superare una quota circa paria al 50-60% di raggi riflessi: quota che assicura un'illuminazione sufficientemente uniforme della zona R. Se il meccanismo di riflessione non avesse perdite, come nel caso illustrato più avanti della riflessione interna totale (TIR), il numero di riflessioni potrebbe salire sensibilmente, e conseguentemente migliorare l'uniformità di illuminazione.

In una prima forma di realizzazione del riflettore 202, mostrata nelle figure da 1 a 5, gli elementi riflettenti 205a,205b sono del tipo di riflettori speculari, il riflettore 202 è aperto in corrispondenza delle basi 203,204.

La struttura di supporto 201 del dispositivo 200 è realizzata in un materiale sufficientemente rigido tale da garantire stabilità del profilo pianoparabolico degli elementi riflettenti 205a, 205b anche in presenza di forti dilatazioni termiche; stabilità dimensionale, in particolare della prima base 203 e, dunque della pupilla d'uscita del dispositivo stesso verso il ricevitore 100 fotovoltaico; stabilità della distanza fra le basi 203,204 .

Inoltre, la struttura di supporto 201 è realizzata in almeno un materiale termicamente conduttivo, ad esempio un materiale metallico, atto alla dissipazione del calore sviluppantesi sugli elementi riflettenti 205a,205b.

L'elemento riflettente 205a,205b comprende, ad esempio, nella prima forma di realizzazione una lamina 206 metallica riflettente, ad esempio, incollata con adesivo termico ad un struttura di supporto 201, ad esempio anch'essa metallica.

La lamina 206 riflettente è, ad esempio, associata ad incastro, alla struttura di supporto 201.

Le porzioni estremali, in corrispondenza delle basi 203,204, di ciascun elemento riflettente 205a,205b sono ripiegate verso la struttura di supporto 201 per l’inserimento in rispettive sedi 207 ricavate nella struttura di supporto stessa e il trattenimento dell'elemento riflettente 205a,205b alla stessa.

La struttura di supporto 201 portante è ottenuta per fusione o presso-fusione di alluminio o una sua lega, o altro materiale buon conduttore del calore, e presenta forma sostanzialmente troncopoliedrica come sopra descritta.

Il profilo sostanzialmente iperbolico del riflettore e, dunque, della struttura di supporto 201 dell'elemento riflettente 205a,205b, viene regolarizzato per fresatura e/o rettifica.

La struttura di supporto, particolarmente, è realizzata per fusione in alluminio o sua lega in un unico corpo monolitico, o in più corpi che sono resi monolitici attraverso opportuni fissaggi. Tale corpo monolitico viene lavorato successivamente con macchine utensili in tutti i punti ed accoppiamenti che richiedono elevata precisione .

La realizzazione della struttura di supporto 201 in un corpo monolitico garantisce una elevata rigidità e rende la struttura stessa idonea a sostenere i delicati componenti interni mantenendo la loro posizione stabile anche a fronte di vibrazioni e dilatazioni termiche.

Alla struttura di supporto 201 sono associati mezzi di sostegno 208 del dispositivo 200 atti a mantenerlo in posizione di installazione, ad esempio posizionato stabilmente nell'area focale del dispositivo convogliatore primario a cui è associato .

Nella zona interessata dai mezzi di sostegno 208 la struttura di supporto 201 presenta zone a spessore maggiorato, per una maggiore resistenza meccanica e rigidità, inoltre, possono essere presenti rinforzi di irrigidimento, che migliorano altresì la conduzione termica.

Interposto tra la struttura di supporto 201, in prossimità della prima base 203, il dispositivo 200 presenta mezzi di guarnizione, ad esempio realizzati mediante un tubo 209 sottile in silicone per alta temperatura (250 °C).

I mezzi di guarnizione e dunque il tubo 209 è atto alla tenuta stagna tra le facce del dispositivo 200 e il ricevitore 100, il tubo stesso viene, infatti, leggermente schiacciato tra la superficie delle celle 102 destinata ad essere esposta e la struttura di supporto 201.

II tubo 209, inoltre, è un elemento di riscontro per il dispositivo ricevitore 100 e, dunque, per le celle 102 fotovoltaiche tale da mantenere costante la distanza fra il dispositivo 200 e le celle stesse.

La struttura di supporto 201 presenta una pluralità di sedi di alloggiamento 210 per l'alloggiamento di diodi di protezione delle celle 102 fotovoltaiche e/o dei collegamenti elettrici tra le celle stesse, tali sedi di alloggiamento sono realizzate esternamente alla zona R sostanzialmente quadrangolare e possono essere del tipo di un canale libero che si sviluppa longitudinalmente parallelo ai lati della prima base 203.

Gli elementi riflettenti 205a,205b possono essere temporaneamente associati alla struttura di supporto 201 mediante viti a testa piana per fissaggio di sicurezza degli elementi riflettenti stessi, ad esempio tali viti servono soprattutto in fase di montaggio per mantenere l'elemento riflettente 205a,205b in posizione fino alla presa dell·'adesivo.

Gli elementi riflettenti 205a,205b presentano, inoltre, nella zona prossima alla seconda base 204, una piegatura 211 terminale della lamina 206 verso l'esterno della struttura di supporto 201. Tale piegatura 211 è atta, ad esempio, ad evitare che raggi solari provenienti dal dispositivo convogliatore primario vadano a colpire direttamente la superficie esterna del dispositivo 200 oltre che a contribuire ad irrigidire l'elemento riflettente 205a,205b in modo da evitare ondulazioni dello stesso.

Gli elementi riflettenti 205b presentano una differente inclinazione rispetto agli elementi 205a, in quanto è diverso l'angolo di accettazione dei raggi provenienti dal convogliatore primario a causa della forma rettangolare dello stesso. Anche l'altezza degli elementi riflettenti 205b potrà essere diversa da quella degli elementi riflettenti 205a.

In una seconda forma di realizzazione, mostrata nelle figure da 7 a 9, gli elementi riflettenti 205a,205b sono del tipo di riflettori a riflessione interna totale (TIR).

Gli elementi riflettenti 205a,205b cosiddetti TIR e le basi 203,204 sono, in particolare, realizzati in almeno un materiale dielettrico e trasparente atti a formare un corpo, ad esempio internamente pieno, sostanzialmente scatolare di forma tronco poliedrica e stagno.

Il riflettore 202 così formato, inoltre, consente una protezione del ricevitore 100 contro gli agenti atmosferici.

La prima base 203 è associabile solidalmente alla superficie esposta ai raggi solari del ricevitore 100, per la protezione anti-usura e altro dello stesso e/o può essere associato solidalmente alla superficie destinata ad essere esposta ai raggi solari di una o più cella 102 fotovoltaiche formante il ricevitore stesso.

Vantaggiosamente il materiale dielettrico e trasparente presenta indice di rifrazione sostanzialmente maggiore di 1 ed indicativamente pari a circa 1,5, il materiale dielettrico e trasparente è, ad esempio, del tipo di vetro.

Le superfìcì esterne del corpo pieno del riflettore 202 e, dunque, degli elementi riflettenti 205a, 205b e della seconda base 204, sono lavorate in modo da ottenere una superficie otticamente liscia, con un livello di rugosità molto inferiore a λ, dove λ è la minima lunghezza d'onda della luce solare utilizzabile dalle celle fotovoltaiche, pari a circa 400 nm (nanometri). Tale lavorazione ottica consente di instaurare il fenomeno della riflessione interna totale, per cui raggi solari che si trovano all'interno del mezzo ad alto indice di rifrazione e che impattano la superficie esterna del mezzo stesso con un angolo abbastanza radente (inferiore a circa 42°), sono riflessi all'interno senza subire alcuna perdita nel processo di riflessione.

Il riflettore 202 così formato, garantisce la massima estensione possibile della seconda base 204. Le pareti squadrate dei corpi pieni dielettrici, fanno si che raggi diagonali subiscano riflessioni multiple prima di raggiungere la cella 102 fotovoltaica, con ciò migliorando sensibilmente la omogeneità della luce che raggiunge la superficie della cella stessa. Eventuale sporcizia depositata sulla seconda base 204, non produce ombreggiamenti puntiformi sulla superficie delle celle 102, evitando la formazione di punti freddi e conseguente stress termico sulla cella stessa. Riassumendo, il riflettore 202 (TIR) svolge contemporaneamente la funzione di concentratore secondario, omogeneizzatore di flusso, ottimizzatore del filling factor, protezione frontale delle celle 102.

Nella seconda forma di realizzazione, vantaggiosamente, il dispositivo 200 e particolarmente il riflettore 202 comprende elementi distanziatori 212 disposti tra le celle 102 del ricevitore 100.

Questi elementi distanziatori 212, sono ad esempio del tipo di superfici lavorate come sopra descritto ad ottenimento di una superficie otticamente liscia che si protendono dalla prima base 203, internamente al riflettore stesso, e sono anch'essi realizzati nel materiale dielettrico e trasparente detto sopra per la riflessione totale interna dei raggi solari e l'ulteriore omogenizzazione dell'illuminazione del ricevitore 100 e di ogni sua cella 102.

Come visto, l'introduzione dei riflettori 202 TIR, "omogeneizzatori di flusso", non è strettamente necessaria se si adottano le soluzioni proposte per il dispositivo convogliatore primario e la disposizione delle celle 102 del ricevitore 100 descritti nelle sopracitate domande di brevetto copendenti a nome dello stesso richiedente.

Il materiale dielettrico, trasparente e, inoltre, resistente alle dilatazioni termiche è, ad esempio, del tipo di quarzo o vetro borosilicato . Se, ad esempio, l'angolo di ingresso è quello del dispositivo convogliatore primario, la pupilla di ingresso, e dunque la seconda base stessa, può presentare ampiezza compresa tra 60 e 100 mm, vantaggiosamente di circa 90 mm, ossia circa il 50% in più della pupilla utile di un riflettore speculare .

In una preferita forma di realizzazione, la seconda base 204 presenta profilo convesso rivolta verso l'esterno del dispositivo 200, ciò consente dì "piegare" i raggi che entrano nel materiale in modo da ottenere la riflessione interna totale anche con altezze limitate del dispositivo 200 stesso e dunque degli elementi riflettenti 205a, 205b. La maggiore compattezza del dispositivo 200, realizzato con i riflettori 202 a riflessione totale interna, riduce fortemente l'oscuramento che lo stesso produce sul dispositivo convogliatore primario, rispetto ad una realizzazione con riflettori speculari iperbolici o assimilabili. La pupilla di ingresso del dispositivo 200 TIR coincide in pratica con l'occupazione massimale del dispositivo stesso, mentre nel caso di riflettori 202 a riflettori speculari la dimensione del dispositivo stesso è molte volte maggiore della pupilla di ingresso. Non si escludono, tuttavia differenti forme di realizzazione, in cui la seconda base 204 presenta un profilo piano, in tal caso il dispositivo 200 deve presentare distanza tra le basi 203,204 maggiore .

Gli elementi distanziatori 212, inoltre, facilitano le saldature e i cablaggi dei collegamenti elettrici tra le celle.

In una preferita forma realizzativa della seconda forma di realizzazione il dispositivo 200 comprende una pluralità di riflettori 202 e, dunque, di elementi riflettori 205a,205b tra loro affiancati senza soluzione di continuità ad occupare la zona R e ciascuno atto ad essere associato a ciascuna cella 102 o coppia di celle 102 del ricevitore 100 fotovoltaico.

Le celle 102 rimangono così adeguatamente distanziate dagli elementi distanziatori 212 e dagli elementi riflettenti 205a,205b in prossimità delle prime basì 203 che, ad esempio, sono associate solidalmente alla superficie esposta di ciascuna cella 102, mentre in prossimità delle seconde basì 204 i bordi di ciascun elemento riflettore 205a,205b si toccano e possono essere tra loro resi solidali e stagni, ad esempio mediante siliconature .

Vantaggiosamente, la seconda base 204 di ciascun riflettore 202 presenta forma sostanzialmente rettangolare e ciascuna base inferiore di forma sostanzialmente rettangolare o al limite quadrata. Tale forma delle basi 203,204 di ciascun riflettore 202 introduce riflessioni interne multiple che rendono estremamente omogeneo il flusso luminoso e, dunque, l'illuminazione su ciascuna cella 102 del ricevitore 100. Vantaggiosamente, il dispositivo 200 comprendente gli elementi riflettenti 205a,205b del tipo a riflessione interna totale azzera le perdite di concentrazione, il filling factor è praticamente il 100%, grazie alla funzione di "guida di luce" operata dagli elementi distanziatori 212, che deviano i raggi solari destinati agli interspazi tra le celle 102 sulle celle stesse.

Per semplicità realizzativa, è possibile realizzare il dispositivo 200 con riflettori 202 TIR con funzione di concentrazione e omogeneizzazione di flusso, tali che ciascuno di essi sia associato ad una singola cella 102, come mostrato nelle figure 13, 14 e 15. In corrispondenza dì ciascuna seconda base 204 i riflettori 202 sono tra loro sigillati, ad esempio mediante siliconature come sopra descritto per rendere stagna la superficie frontale formante la seconda base stessa del complesso di riflettori. I vantaggi di tale soluzione sono la eliminazione della biforcazione interna per l'esecuzione degli elementi distanziatori 212, che potrebbe essere di difficile lavorabilità. Altro vantaggio è che riflettori 202 di forma più compatta provocano un maggiore numero di riflessioni interne, con conseguente ulteriore miglioramento nella omogeneità del flusso luminoso su ciascuna cella 102, ed inoltre sono più resistenti agli stress termici .

Ciascuna seconda base 204 del singolo riflettore 202 TIR potrà essere a forma convessa o piana.

Qualungue sia la modalità realizzativa del concentratore TIR, per singola cella o per cella doppia, si osserva che il riflettore 202 TIR consente di concentrare la luce anche nella direzione dell'asse longitudinale della zona R (500mm): tale concentrazione supplementare può essere modesta se lo scopo è semplicemente quello di distanziare fra loro le celle per esigenze di montaggio ed ottimizzazione del filling factor. Il fattore di concentrazione può anche essere spinto sino a C=2 ed oltre, di fatto dimezzando la quantità di celle 102 fotovoltaiche richiesto e raddoppiando il flusso luminoso di lavoro delle celle stesse, che può facilmente essere spostato oltre i 1000 suns.

Si osserva infine che la significativa distanza che separa le celle, consente una buona flessibilità nel posizionamento dei contatti elettrici, rendendo possibile l'uso di celle standard e/o disposte secondo quanto 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".

Vantaggiosamente, il dispositivo 200 comprende mezzi di raffreddamento 213 di almeno uno tra la struttura di supporto 201, il ricevitore 100 fotovoltaico e il riflettore 202 secondario.

I mezzi di raffreddamento 213 comprendono almeno un circuito di almeno un liquido refrigerante atto ad interagire, per l'asportazione dì calore, con almeno una prima superficie 214a di una piastra 214 di raffreddamento, presentante una seconda superfìcie 214b dì scambio termico affacciata, almeno in appoggio, ad almeno uno tra la struttura di supporto 201, il ricevitore 100 fotovoltaico, dal lato non esposto dello stesso, e il riflettore 202 secondario da raffreddare.

La prima superficie 214a presenta, vantaggiosamente, una pluralità di alette 215 di scambio termico atte alla realizzazione di fessurazione di passaggio di detto liquido refrigerante, forzato a passare in tali fessure, per il reciproco scambio termico.

In particolare, la piastra 214 di raffreddamento è realizzata in almeno un materiale termicamente conduttore, ad esempio in almeno un materiale metallico, come il rame, e presenta uno spessore indicativamente compreso tra 4 e 6 min.

I mezzi di raffreddamento comprendono, inoltre, una contropiastra 216, ad esempio realizzata anch'essa in rame, atta ad essere associata solidalmente a tenuta, mediante l'interposizione di guarnizioni, ad esempio del tipo di "O-ring" 217, alla piastra 214 di raffreddamento.

La contropiastra 216 e/o la piastra 214 comprendono, nella zona interessata dalle alette 215, un alveolo 218 di contenimento e deflusso del liquido di refrigerazione.

L'alveolo 218, vantaggiosamente, è atto ad occupare l'intera regione della piastra 214 e/o della contropiastra 216 definita in corrispondenza della zona R.

La piastra 214 e la contropiastra 216 sono perfettamente a contatto fra di loro nella zona interessata dalle alette 215. Tale perfetto contatto, necessario su tutta la lunghezza dell'alveolo 218 in corrispondenza della zona R, serve ad assicurare che tutto il liquido debba necessariamente attraversare l'alveolo 218 attraverso le fessurazioni tra le alette stesse. La contropiastra 216 comprende, inoltre, canali 219 di immissione e di efflusso di tale liquido refrigerante nell'alveolo 218, per il passaggio forzato e dinamico di detto liquido tra le alette stesse .

I canali 219, realizzati in numero minimo di due, possono essere ricavati interamente all'interno della contropiastra 216, o anche interessare parzialmente la piastra 214. Essi attraversano trasversalmente l'alveolo 218 lungo il suo lato minore e sono collocati all'esterno nelle immediate adiacenze della zona R illuminata e coperta con le celle fotovoltaiche, servono per immettere/prelevare il liquido refrigerante nel/dal alveolo 218 presentante le alette 215.

Vantaggiosamente ì canali 219, rispettivamente di immissione e di efflusso del liquido refrigerante, sono realizzati in corrispondenza dei lati di minore dimensione della prima base 203, in modo tale che il flusso di fluido refrigerante attraversi tutta la zona R nella direzione sostanzialmente parallela all'esse longitudinale della zona R stessa.

Oltre alla modalità illustrata in Fig. 10, con un solo canale 219 di immissione ed un solo canale 219 di estrazione del fluido refrigerante, è possibile ed anche consigliabile la modalità realizzativa di Fig. 12 con tre canali 219, di cui due canali 219 di immissione laterali ed un unico canale 219 di estrazione centrale, o l'equivalente con due canali 219 di estrazione laterali ed un canale 219 di immissione centrale. La introduzione di un canale centrale di immissione o estrazione del fluido, consente di dimezzare la lunghezza della zona percorsa dal liquido, in pratica dimezzando le perdite di carico o raddoppiando la quantità di liquido che circola a parità di perdita di carico. Ciò consente di migliorare le prestazioni complessive dei mezzi di raffreddamento, con il solo svantaggio di una leggera maggiore complessità dei circuiti esterni di adduzione del fluido.

La contropiastra 216 e la piastra 214 sono tra loro associate solidalmente mediante organi filettati, per esempio, del tipo di bulloni e dadi. La pressurizzazione delle guarnizioni e dunque dell'o-ring 217 può essere realizzata prevedendo delle sedi per la guarnizione di dimensione inferiore rispetto al diametro della guarnizione stessa, in modo da deformare l'o-ring 217 quando le due piastre 214 e 216 sono perfettamente a contatto.

I mezzi di raffreddamento 213, sono associati solidalmente alla struttura di supporto 201 del riflettore 202, ad esempio mediante ulteriori organi filettati, in particolare, del tipo di un prigioniero e/o bullone dotato di molla per regolare la pressione di fissaggio.

Le alette 215 presentano, ad esempio, sezione sostanzialmente quadrata, il cui lato presenta ad esempio, dimensioni comprese tra di 0,1 mm e 0,6 mm.

Le alette 215 stesse sono tra loro distanti tra 0,1 e 0,6 mm.

In una preferita forma di realizzazione le alette presentano un lato di 0,25 mm e sono tra loro interspaziate di 0,35 mm, in un'alternativa forma di realizzazione, invece le alette presentano un lato di 0,5 mm e sono tra loro distanziate di 0,3 mm.

Il dispositivo 200 comprende, inoltre, un coperchio 220, ad esempio, realizzato in materiale termoplastico rinforzato di colore bianco o alluminio anodizzato di colore chiaro. Tale coperchio 220 ha profilo continuo e protegge dagli agenti atmosferici il riflettore 202 e il ricevitore 100 dalla parte opposta rispetta alla seconda base 204.

Il coperchio 220 è associato solidalmente alla struttura di supporto 201, ad esempio mediante viti 221 o simili.

Inoltre, associato solidalmente ed esternamente alla struttura di supporto 201 e, dunque al riflettore 202, il dispositivo 200 comprende un pannello 222 isolante adatto, ad esempio, per temperature elevate >200°C.

Tale pannello 222 limita la dispersione termica dal riflettore stesso ed è interposto tra la struttura di supporto 201 e il coperchio 220 per limitare la trasmissione di calore al coperchio stesso, inoltre può essere adottato, inoltre, nella zona laterale agli elementi riflettenti 205a, 205b.

Si è in pratica constatato come il trovato descritto raggiunga gli scopi proposti ed in particolare si sottolinea il fatto che il dispositivo convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica consente una riflessione secondaria ottimizzata e sostanzialmente uniforme sul ricevitore fotoelettrico, nonché una facile riproduzione industriale su larga scala, agevole montaggio, installazione e calibrazione.

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 dì protezione delle seguenti rivendicazioni.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1)Dispositivo (200) convogliatore secondario di raggi solari, particolarmente per gruppi di conversione dell'energia solare in energia elettrica e/o termica, che comprende almeno una struttura di supporto (201) di un riflettore (202) secondario del tipo a concentrazione dei raggi solari di forma tronco-poliedrica internamente cavo e presentante basi (203,204) contrapposte almeno trasparenti ai raggi solari, una prima (203) di dette basi (203,204), di minori dimensioni rispetto alla seconda (204) di dette basi (203,204), posizionabile in una zona (R) destinata ad essere illuminata da raggi solari incidenti e riflessi da detto riflettore (202) ed associabile ad almeno un ricevitore (100) fotovoltaico caratterizzato dal fatto che detta prima base (203) presenta forma sostanzialmente quadrangolare, detto riflettore (202) secondario comprendendo almeno un elemento riflettente (205a, 205b), definente ciascuna faccia di detto riflettore (202), interposto tra dette basi (203,204) e ciascuno di detti elementi riflettenti (205a, 205b) presentando forma sostanzialmente piano- iperbolica con convessità rivolta verso l'interno del riflettore stesso per 1<1>omogenizzazione dei raggi solari riflessi da ciascun elemento riflettente (205a,205b) in detta zona (R). 2)Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta zona (R) sostanzialmente quadrangolare presenta forma sostanzialmente rettangolare; detti elementi riflettenti (205a,205b) in corrispondenza dei lati di maggiore dimensione di detta zona (R) sostanzialmente rettangolare sono tra loro disposti simmetricamente rispetto all'asse mediano longitudinale della zona (R) sostanzialmente rettangolare stessa per l'illuminazione sostanzialmente omogenea di detto ricevitore (100) fotovoltaico. 3)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti elementi riflettenti (205a,205b) in corrispondenza dei lati di minore dimensione di detta zona sostanzialmente rettangolare sono tra loro disposti simmetricamente rispetto all'asse mediano sostanzialmente ortogonale a detto asse mediano longitudinale e presentano curvatura diversa rispetto a detti elementi riflettenti (205a,205b) in corrispondenza dei lati di maggiore dimensione . 4)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti elementi riflettenti (205a,205b) sono del tipo di riflettori speculari, detto riflettore (202) essendo aperto in corrispondenza di dette basi (203,204). 5)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detti elementi riflettenti (205a,205b) sono del tipo di riflettori a riflessione interna totale (TIR). 6)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3 e 5, caratterizzato dal fatto che detti elementi riflettenti (205a,205b) e dette basi (203,204) sono realizzati in almeno un materiale dielettrico e trasparente atti a formare un corpo sostanzialmente scatolare, di forma tronco poliedrica stagno, detta prima base (203) essendo associabile solidalmente alla superficie esposta ai raggi solari di detto ricevitore (100) e/o di una o più cella (102) fotovoltaica del ricevitore stesso. 7)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3, 5 e 6, caratterizzato dal fatto che comprende elementi distanziatori (212) tra le celle (102) di detto ricevitore (100) , detti elementi distanziatori (212) protendentesi da detta prima base (203) , internamente a detto riflettore (202), ed essendo realizzati in detto materiale dielettrico e trasparente per la riflessione totale interna dei raggi solari. 8)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni da l a 3 e da 5 a 7, caratterizzato dal fatto che detto materiale dielettrico e trasparente presenta indice di rifrazione maggiore di 1. 9)Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto materiale dielettrico e trasparente presenta indice di rifrazione sostanzialmente pari a 1,5. 10)Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di raffreddamento (213) di almeno uno tra detta struttura di supporto (201) , detto ricevitore (100) fotovoltaico e detto riflettore (202) secondario, detti mezzi di raffreddamento (213) comprendendo almeno un circuito di almeno un liquido refrigerante atto ad interagire, per l'asportazione di calore, con almeno una prima superficie (214a) di una piastra (214) di raffreddamento, presentante una seconda superficie (214b) di scambio termico affacciata, almeno in appoggio, ad almeno uno tra la struttura di supporto (201), il ricevitore (100) fotovoltaico e il riflettore (202) secondario da raffreddare, detta prima superficie (214a) , opposta rispetto a detta seconda superficie (214b) , presentando una pluralità di alette (215) di scambio termico atte alla realizzazione di fessurazione di passaggio di detto liquido refrigerante per il reciproco scambio termico.