ITPA20120002A1 - Integrazione di celle fotovoltaiche ibride nel vetromattone. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:

INTEGRAZIONE DI CELLE FOTOVOLTAICHE IBRIDE NEL VETROMATTONE

[0001] L’invenzione fa riferimento agli ambiti tecnologici connessi al settore edile e fotovoltaico.

[0002] Un vetromattone à ̈ composto da due conchiglie di vetro, ottenute dalla pressione su stampo di una goccia di vetro fuso, assemblate a caldo o attraverso incollaggio “a freddo†a formare una intercapedine interna. Il vetromattone consente il passaggio della luce con percentuali diverse in relazione al colore del vetro ed al trattamento superficiale delle conchiglie.

[0003] I vetromattoni possono essere preferiti, per la costruzione degli involucri edilizi traslucidi, al tradizionale vetro piano, per le loro migliori caratteristiche di isolamento termo-acustico e di resistenza al fuoco (dovute alla presenza dell’intercapedine interna), di trasmissione luminosa e per la modularità.

[0004] Un modulo fotovoltaico ibrido (organico/inorganico) può essere costituito da diverse Dye-Sensitized Solar Cells (DSC).

[0005] La tipica struttura di una Dye-Sensitized Solar Celi à ̈ costituita da un substrato trasparente (ad es, una sottile lastra di vetro) reso conduttivo da uno strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) (ad es. FTO, Fluorine-doped Tin Oxide), ricoperto da uno strato mesoporoso di materiale semiconduttore generalmente costituito da Ti02che presenta caratteristiche di atossicità e biocompatibilità. Le molecole dell’inchiostro foto attivo, che costituiscono il fotoanodo del dispositivo DSC, sono successivamente assorbite dal Ti02. La cella viene completata con un contro elettrodo, rappresentato da uno strato superiore costituito da FTO ricoperto da un film di platino che funziona da catalizzatore e depositato su una sottile lastra di vetro. Il dispositivo à ̈ infine chiuso e sigillato tramite resine o fritte di vetro applicate lungo il perimetro e, successivamente, riempito con una soluzione elettrolitica che ne consente il funzionamento.

[0006] Le DSC funzionano per eccitazione ottica, trasporto di elettroni e ioni con un processo analogo a quello della fotosintesi clorofilliana.

[0007] La tecnologia delle DSC ha recentemente raggiunto livelli globali di efficienza, sia a livello di celle che di moduli, comparabili al fotovoltaico tradizionale basato sulla tecnologia al silicio.

[0008] Lo stato delfarte dà testimonianza della produzione di alcuni tipi di DSC rintracciabili anche sul mercato. Sono venduti i singoli componenti del prodotto o il prodotto finito.

[0009] L’ integrazione delle celle con il vetromattone può avvenire in diversi modi. Le DSC possono essere applicate per deposizione sulla faccia esterna di una delle due conchiglie del vetromattone (Ipotesi 1 e 2), o sulla faccia interna (Ipotesi 3); possono essere assemblate a parte su uno specifico supporto e fissate in seguito sulla faccia esterna di una conchiglia del vetromattone (Ipotesi la e 2a) o sulla faccia interna (Ipotesi 3a); o possono essere applicate tra le due conchiglie di vetro che compongono il vetromattone attraverso l’uso di un elemento che funziona come una “cintura termica†, al quale le conchiglie sono incollate “a freddo†(Ipotesi 4). La deposizione delle DSC può avvenire attraverso dei semplici processi di stampaggio che consentono anche la realizzazione di speciali disegni.

[0010] Nel caso della presente invenzione, il processo di produzione dipende dalla maniera in cui le DSC vengono integrate al vetromattone.

[0011] Ognuna delle ipotesi fa riferimento a differenti configurazioni del vetromattone. Per ognuna delle ipotesi, due fili elettrici (+/-) escono fuori dal vetromattone riconfigurato, per consentirne la messa a sistema con gli altri vetromattoni/moduli fotovoltaici e la realizzazione di pannelli fotovoltaici preassemblati “a secco†, da integrare nelle chiusure degli edifici per la costruzione di involucri traslucidi. Nelle cavità orizzontali e verticali che si generano dall'accostamento e dalla giustapposizione di più vetromattoni per la realizzazione del pannello vengono alloggiati profili sagomati in plastica che consentono il passaggio delle barre di irrigidimento ed il cablaggio dei cavi.

[0012] L'Ipotesi 1 (fig. 1) prevede la modifica della forma di una delle due conchiglie del vetromattone (0) -nello specifico quella che, una volta istallato, sarà esposta alla luce del sole- per l'integrazione con le DSC. La configurazione della faccia (2) della conchiglia di vetro (0) presenta un bordo (1) che corre per tutto il perimetro della faccia esterna come una cornice. Sulla faccia (2) possono essere depositati diversi ossidi conduttivi trasparenti (TCO). Il bordo (1) possiede uno spessore adeguato per consentire rinserimento della lastra di vetro (4) precedentemente coperta dal TCO e da uno strato catalizzatore, utile a chiudere le celle (3) depositate sulla faccia piana (2) della conchiglia di vetro (0). Il bordo sottrae area “attiva†per la deposizione delle celle ma à ̈ importante per il fissaggio della lastra di vetro e la protezione dei suoi bordi. Il tradizionale sistema di incollaggio “a caldo†del vetromattone à ̈ mantenuto: la deposizione delle celle (3) avviene, infatti, dopo l'assemblaggio delle due conchiglie del vetromattone (0). In questo senso, la separazione dei due processi di assemblaggio, quello del vetromattone prima e quello di deposizione delle DSC, poi, rappresenta un vantaggio per la realizzazione del prodotto. L'elettrolita può essere iniettato, dopo l'assemblaggio dell'elettrodo trasparente e l'incollaggio del dispositivo, attraverso due fori (5) presenti sulla superfìcie della lastra di vetro (4) necessaria per la chiusura, protezione e funzionamento delle celle (3). I fori devono essere subito dopo sigillati con un materiale sigillante trasparente. Il dispositivo à ̈ chiuso attraverso l’uso di sigillanti (6) che, oltre a proteggerlo dagli agenti atmosferici, consentono il fissaggio della lastra di vetro (4) alla conchiglia di vetro (0). La fuoriuscita dei fili elettrici (+/-) del dispositivo avviene attraverso due fori (7) realizzati in prossimità del bordo della conchiglia di vetro (0). Nel caso di un pannello traslucido fotovoltaico assemblato “a secco†i fili elettrici possono essere raccolti e nascosti all'interno di profili collocati nelle cavità tra i vetromattoni accostati a formare il pannello. [0013] Nell’Ipotesi 1 descritta al punto [0012] à ̈ possibile prevedere la sostituzione dell'elettrolita liquido con un materiale polimerico del tipo quasi solido -in forma di gel-: in questo modo possono essere risolti i problemi legati all'incapsulamento ed all'evapotraspirazione dell'elettrolita liquido. [0014] E’ possibile, altresì, prevedere l’inversione degli elettrodi e, quindi del procedimento di deposizione delle celle (3), per garantire una loro maggiore efficienza e consentire una semplificazione del procedimento di fabbricazione del vetromattone integrato con DSC, prevedendo la deposizione del catalizzatore sulla faccia piana (2) della conchiglia di vetro (0) e depositando le celle sulla lastra di chiusura (4), su sui à ̈ stato preventivamente depositato il solo TCO, procedendo, poi, secondo l’iter previsto per la realizzazione delle DSC descritto al punto [0005], In tal modo lo strato attivo della cella si troverebbe esposto sul lato più esterno del vetromattone e quindi in grado di catturare una maggiore percentuale di radiazione solare evitando Γ assorbimento dovuto all’eventuale natura dell’elettrolita.

[0015] L'Ipotesi la (fig. la) prevede la possibilità di integrare nella conchiglia modificata (0) del vetromattone, descritta nell'Ipotesi 1, un modulo DSC già assemblato, in cui entrambi gli elettrodi sono costituiti da lastre di vetro conduttive. Il modulo DSC può essere collocato sulla faccia piana (2), della conchiglia, circondata dal bordo (1). L'Ipotesi la comporta, da un lato, un maggiore uso di vetro ma dall'altra, una semplificazione nel processo di produzione dei vetromattoni integrati con le DSC.

[0016] L'Ipotesi 2 (fig.2) prevede la modifica della conchiglia di vetro (0) e l'integrazione con le DSC dopo che le due conchiglie del vetromattone sono state assemblate. Questa soluzione comporta l'uso di una maggiore superfìcie “attiva†per la deposizione delle DSC. L'intera faccia (9) della conchiglia (0) viene resa, infatti, totalmente piana così da permettere la deposizione della cella (3) sull'intera superficie. La faccia (9) viene utilizzata come substrato del dispositivo solare che viene successivamente chiuso da una lastra di vetro (10), appositamente sagomata e fissata alla conchiglia di vetro (0) attraverso l’uso di sigillanti (6) applicati lungo il perimetro delle DSC. L'adozione di due facce piane a contatto tra loro semplifica il processo di iniezione dell'elettrolita, che può avvenire in corrispondenza dell'unione dei due elettrodi evitando, così, la foratura della lastra di vetro di chiusura (10). La fuoriuscita dei fili elettrici (+/-) del dispositivo avviene attraverso due fori (11) realizzati sulla conchiglia di vetro (0). Nel caso di un pannello traslucido fotovoltaico assemblato “a secco†i fili elettrici vengono raccolti e nascosti all'interno dei profili collocati nelle cavità tra i vetromattoni accostati a formare il pannello. [0017] Anche per l’Ipotesi 2 à ̈ possibile prevedere la sostituzione dell’elettrolita, cosi come descritto al punto [0013]. E’ possibile, altresì, prevedere l’inversione degli elettrodi, così come descritto al punto [0014].

[0018] L'Ipotesi 2a prevede la possibilità di integrare nella faccia modificata (9) della conchiglia del vetromattone (0), descritta nell'Ipotesi 2, un modulo DSC già assemblato (8). Quest’ultimo viene fissato alla faccia piana (9) della conchiglia di vetro (0). Ciò comporta un maggiore uso del vetro, poiché la faccia del vetromattone non costituisce il substrato della cella, ma questa ipotesi favorisce una semplificazione del processo di produzione. [0019] Un punto debole delle configurazioni descritte nei punti [0016-0018] può essere rappresentato dai bordi della lastra di vetro di chiusura, posizionata sulla faccia piana (9) della conchiglia di vetro (0) dopo l’assemblaggio del vetromattone. Può essere necessario, infatti, prevedere un elemento di protezione costituito, ad es., da una guarnizione (12) che protegge il dispositivo dal deterioramento dovuto ad agenti atmosferici e meccanici. La guarnizione (12) può essere realizzata in materiale plastico ed à ̈ fissata al perimetro della conchiglia di vetro (0) con un giunto meccanico, per esempio attraverso un elemento a scatto che si incastra sulla parte posteriore della conchiglia di vetro (0) e/o attraverso un incollaggio “a freddo†. Per l'Ipotesi 2a descritta al punto [0018] la guarnizione può essere utile al processo di assemblaggio per la realizzazione del prodotto finito facilitando, inoltre, le operazioni di manutenzione e/o sostituzione del dispositivo fotovoltaico.

[0020] Nell'Ipotesi 3 (fig. 3) la forma della conchiglia di vetro (0) non viene modificata: la faccia piana interna (13) funge da substrato per la deposizione delle celle (3). Una lastra di vetro (14) appositamente sagomata, viene applicata per chiudere il dispositivo. La posizione delle celle dentro l’intercapedine del vetromattone comporta da un lato un grande vantaggio per la durabilità del dispositivo, che risulta protetto da agenti meccanici e chimici provenienti dall'ambiente esterno; di contro, la deposizione delle celle (3) deve avvenire prima dell'assemblaggio delle due conchiglie di vetro (0) che compongono il vetromattone. Inoltre, poiché l'incollaggio “a caldo†(fino a 900°C) delle conchiglie di vetro (0) risulterebbe fatale per le DSC, à ̈ necessario adottare, per l’assemblaggio delle conchiglie (0), un sistema di incollaggio “a freddo†, tramite resine. L'iniezione dell’elettrolita può essere effettuata, dopo l'assemblaggio dell'elettrodo costituito dalla lastra di chiusura (14) e la sigillatura (6) del dispositivo, seguendo lo stesso processo descritto nelle Ipotesi 1 e la, attraverso i due fori (5) predisposti sulla superfìcie della lastra di vetro di chiusura (14), che devono essere subito dopo sigillati. 1 fili elettrici (+/-), passando attraverso le pareti della cavità interna del vetromattone, escono fuori attraverso due fori (15) realizzati nel giunto di resina tra le due conchiglie di vetro (0). [0021] Anche in questa ipotesi può essere prevista la sostituzione dell’elettrolita liquido così come descritto al punto [0013].

[0022] L’Ipotesi 3a (fìg. 3a) prevede l’integrazione di un modulo DSC già assemblato (8) sulla faccia piana interna (13) di una conchiglia del vetromattone. Ciò comporta un maggiore uso del vetro, poiché la faccia del vetromattone non costituisce il substrato della cella, ma questa ipotesi favorisce una semplificazione del processo di produzione,

[0023] L'Ipotesi 4 (fig. 4) si basa sull 'utilizzo di una nuova configurazione del vetromattone finalizzata al miglioramento delle prestazioni termiche del prodotto, che consiste nella suddivisione dell’intercapedine -per ridurre il valore di trasmittanza legato alla convezione- attraverso l'inserimento di una lastra realizzata con diversi materiali trasparenti isolanti, come il policarbonato e l'aerogel, utilizzati singolarmente o insieme. [0024] Per il posizionamento della lastra e per la creazione di un ponte termico (fig. 5), à ̈ utilizzata una “cintura termica†(16) costituita da un profilo in plastica al quale vengono incollate “a freddo†le conchiglie di vetro (0).

[0025] Nell’Ipotesi 4 che qui si descrive, tale lastra à ̈ costituita da un modulo DSC già assemblato (8) inserito nella “cintura termica†(16) che ne costituisce il supporto. Il sistema di assemblaggio prevede l’alloggiamento del modulo DSC (8) nella parte della “cintura termica†a forma di U (16a) successivamente chiusa, attraverso un sistema di connessione maschio-femmina, da una parte superiore (16b), a cui vengono successivamente incollate le due conchiglie di vetro (0).

[0026] La cintura termica (16) presenta anche due fori (17) per la fuoriuscita dei fili elettrici (+/-). Tali fori sono posizionati sul profilo superiore (16b) della cintura. [0027] Il dispositivo DSC, essendo bifacciale e posizionato nell’ intercapedine del vetromattone tra le due conchiglie (0), può facilmente assorbire sia la luce proveniente dall'estemo che quella proveniente dall'interno. La conformazione e la finitura delle conchiglie (0) possono, inoltre, essere ottimizzate (in relazione, anche, alle caratteristiche del vetro) per l'assorbimento del flusso luminoso da parte del modulo DSC, o rimanere invariate; à ̈ possibile, ad es., prevedere di modificare le dimensioni delle facce laterali -delle conchiglie di vetro (0) per ottenere diverse dimensioni delle cavità interne del vetromattone, in relazione ai diversi livelli di isolamento termo-acustico richiesti. L'Ipotesi 4 rappresenta un notevole vantaggio in termini di produzione industriale poiché consente di utilizzare moduli DSC già pronti, da inserire semplicemente nella “cintura termica†procedendo poi al semplice incollaggio delle conchiglie (0)

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI DELL’INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: INTEGRAZIONE DI CELLE FOTOVOLTAICHE IBRIDE NEL VETROMATTONE RIVENDICAZIONI: Della succitata invenzione industriale si rivendicano: 1) - il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) di cui una presenta un ispessimento del bordo (1) che incornicia la faccia esterna piana (2) della conchiglia (0) e due fori (7) per la fuoriuscita dei fili elettrici (+/-); laddove la faccia esterna piana (2) della conchiglia (0) à ̈ resa conduttiva per funzionare come elettrodo del dispositivo DSC (3), su cui viene posizionata e fissata la lastra (4) di chiusura del dispositivo, precedentemente resa conduttiva e dotata di fori (5) per l’iniezione dell’elettrolita all’interno del dispositivo (Ipotesi 1 - fig. 1);. 2) - il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) secondo la rivendicazione 1) su cui viene posizionato e fissato un modulo DSC (8) già assemblato (Ipotesi la - fig. la); 3) - il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) di cui una presenta la superficie (9) della faccia esterna interamente piana e due fori (11) per la fuoriuscita dei fili elettrici (+/-); laddove la faccia esterna piana (9) della conchiglia (0) à ̈ resa conduttiva per funzionare come elettrodo del dispositivo DSC (3), su cui viene posizionata e fissata la lastra (10) di chiusura del dispositivo, precedentemente resa conduttiva (Ipotesi 2 - fig. 2);. 4) - il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) secondo la rivendicazione 3) su cui viene posizionato e fissato un modulo DSC (8) già assemblato (Ipotesi 2a - fig. 2a); 5) - il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) secondo le rivendicazioni 3) e 4) caratterizzato da una guarnizione in materiale plastico (12) che funge da elemento di protezione del dispositivo fotovoltaico integrato nel vetromattone, fissata su tutto il perimetro delia conchiglia attraverso un giunto meccanico e/o un incollaggio “a freddo†; 6) - il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) assemblate “a freddo†con ima resina che viene successivamente forata (15) per consentire il passaggio dei fili elettrici (+/-) del dispositivo fotovoltaico; laddove ima delle due conchiglie (0) presenta la faccia interna (13) resa conduttiva per funzionare come elettrodo del dispositivo DSC (3), su cui viene posizionata e fissata la lastra (14) di chiusura del dispositivo, precedentemente resa conduttiva (Ipotesi 3 - fig. 3) 7) il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) secondo la rivendicazione 6) all’ interno del quale, sulla faccia interna (13) di una delle due conchiglie (0), viene posizionato e fissato un modulo DSC (8) già assemblato (Ipotesi 3a - fig. 3a); 8) - il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) assemblate “a freddo†tramite una “cintura termica†(16) composta da due diverse parti (16a e 16b) connesse tramite un meccanismo di assemblaggio maschio-femmina e che presenta un apposito incavo per l’alloggiamento di una lastra di materiale semitrasparente isolante (come aerogel, PC o aerogel+PC) per suddividere l’intercapedine del vetromattone in due camere (Ipotesi 4); 9) il vetromattone costituito da due conchiglie di vetro (0) assemblate “a freddo†tramite una “cintura termica†(16) che presenta due fori (17) per la fuoriuscita dei fili elettrici (+/-) del modulo DSC (8), preassemblato ed alloggiato nell’incavo della cintura termica (16) al posto della lastra di materiale semitrasparente isolante di cui alla rivendicazione 8) (Ipotesi 4)