ITTO20090920A1 - Sistema per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

"Sistema per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione.

Più specificatamente, l’invenzione riguarda un sistema per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione, comprendente celle fotovoltaiche per la conversione di raggi solari, ed elementi concentratori ad alto guadagno per le celle fotovoltaiche, in accordo con la parte introduttiva delle rivendicazioni principali.

I sistemi con fonte fotovoltaica a concentrazione si confrontano con impianti “passivi”, in cui le celle, aventi tecnologia a film sottile, sono esposte al sole secondo un’opportuna inclinazione e non presentano alcun dispositivo atto a incrementare la luce solare che li colpisce. Le efficienze ottenute con tali tipi di impianti si attestano tra 8 e 16%.

I sistemi per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione includono impianti con celle fotovoltaiche investite da un flusso solare attraversando un sistema ottico frapposto, subisce una notevolissima concentrazione prima di colpire le celle solari ricettrici.

Con la concentrazione dei raggi solari ottenuta attraverso vari sistemi ottici, si raggiungono efficienze elevate, fra energia solare ricevuta ed energia elettrica fornita, mentre le dimensioni delle celle possono essere contenute.

Sia negli impianti passivi che negli impianti a concentrazione le celle sono collegate a gruppi per formare rispettivi “moduli”; un insieme di moduli collegati elettricamente in serie formano una “stringa” per ottenere la tensione richiesta. Collegando poi in parallelo più stringhe per sommare le correnti, si forma il generatore o l’impianto fotovoltaico. Gli impianti seguono una geometria matriciale formata, in pianta, da str inghe posizionate secondo r ighe e colonne, che repl icano sostanzialmente una unità fondamentale fino a ottenere la voluta superficie per la potenza desiderata.

In alcuni documenti brevettuali sono stati descritti impianti “a concentrazione” che impiegano lenti di Fresnel per raccogliere la luce solare, elementi riflettori a sezioni paraboliche composte sui quali viene focalizzato il flusso emergente dalle lenti di Fresnel, ulteriori lenti di concentrazioni che determinano sulla cella un alto rapporto di concentrazione e celle fotovoltaiche all’arseniuro di gallio.

I sistemi per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione di tipo noto hanno notevoli criticità e sono suscettibili di ulteriori miglioramenti.

In accordo con una prima caratteristica, il sistema per la produzione di energia secondo l’invenzione comprende celle fotovoltaiche per la conversione di raggi solari ed elementi concentratori ad alto guadagno per le celle, aventi lenti di Fresnel e riflettori che ricevono i raggi della lente di Fresnel con indirizzamento alle celle fotovoltaiche, ed in cui le lenti di Fresnel e i riflettori sono disposti in uno spazio nel quale è stato creato un basso vuoto.

In un esempio realizzativo, l’elemento concentratore comprende una lente di Fresnel, un riflettore che riceve i raggi della lente di Fresnel ed una lente di uscita per il riflettore affacciata alla cella fotovoltaica, ed in cui la lente di Fresnel, il riflettore e la lente di uscita formano un insieme stagno isolato dall’ambiente e a basso vuoto.

In dettaglio, gl i elementi concentratori, ad alto guadagno, comprendono lenti di Fresnel e riflettori che ricevono i raggi della lente di Fresnel con indirizzamento alle celle fotovoltaiche. I riflettori sono a riflessione conica ed in cui è prevista un’ottica secondaria per la correzione dell'immagine focale.

Convenientemente, le celle utilizzano chip a tripla giunzione con sensibilità spettrale estesa ed in cui il sistema ottico è accordato per aggiungere o sottrarre la componente termodinamica per la produzione di energia co-generata.

Le celle possono essere raffreddate da un fluido di scambio per l’alimentazione di apparati secondari per la produzione di energia co-generata ovvero in funzione refrigerante.

I n a c c o r d o c o n u n a s e c o n d a c a r a t t e r i s t i c a , i l sistema dell’invenzione comprende un dispositivo di sicurezza includente sonde termiche per le celle fotovoltaiche ed otturatori interposti fra gli elementi concentratori e le celle fotoelettriche. Gli otturatori sono attivabili per intercettare i flussi fotonici diretti alle celle ed un gruppo di controllo risponde ad informazioni delle sonde termiche per attivare gli otturatori nel caso di raggiungimento di predeterminati valori di temperatura delle celle, che potrebbero comprometterne il funzionamento.

In accordo con una terza caratteristica, il sistema in accordo con l’invenzione comprende meccanismi di orientamento secondo assi azimutali e zenitali, per le celle e per gli elementi concentratori. In particolare, sono previsti un primo inseguitore solare basato su rilevamento satellitare (GPS), un secondo inseguitore solare basato su differenziale fotonico ed un gruppo di controllo per pilotare i meccanismi di orientamento in risposta ad informazioni del primo inseguitore solare per un posizionamento di riferimento delle celle e dei rispettivi elementi concentratori e, rispettivamente, in risposta ad informazioni del secondo inseguitore solare per un posizionamento fine delle celle e degli elementi concentratori.

DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Le caratter ist iche dell’invenzione risulteranno chiare dalla descrizione che segue, fatta a titolo esemplificativo ma non limitativo, con l'ausilio degli annessi disegni, in cui:

Fig. 1 mostra uno schema del sistema per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione in accordo con l’invenzione;

Fig. 2 rappresenta alcuni componenti del sistema di Fig.1, secondo una prima forma di esecuzione dell’invenzione ;

Fig. 3 mostra i componenti di Fig.2, in accordo con una seconda forma di esecuzione dell’invenzione;

Fig. 4 mostra schematicamente alcuni dettagli del sistema di Fig.1; Fig. 5 mostra una variante dei dettagli di Fig.4;

Fig. 6 rappresenta in scala ingrandita esplosa alcuni componenti della variante di Fig 5;

Fig. 7 è una vista d’insieme di uno dei componenti di Fig.6;

Fig. 8 è uno schema funzionale di una cella fotovoltaica impiegata nel sistema secondo l’invenzione; e

Fig. 9 è un’altro schema funzionale della cella fotovoltaica di Fig. 8.

DESCRIZIONE GENERALE

Con riferimento alle Figg. 1÷4 è indicato con 16 un sistema per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione.

Il sistema 16 comprende una serie di celle fotovoltaiche 17 per la conversione di raggi solari in corrente elettrica ed elementi concentratori 18 ad alto guadagno per le celle 17. Gli elementi concentratori 18 hanno lenti di Fresnel 19 direttamente illuminate dal sole e riflettori 21 che ricevono i raggi della lente di Fresnel 19 e li indirizzano in modo concentrato verso le celle fotovoltaiche 17, attraverso un’ottica secondaria 22.

Le celle fotovoltaiche 17 e gli elementi concentratori 18 (Fig. 1) sono disposti secondo una matrice di righe e colonne, con disposizione a pianta rettangolare, e sono supportati da una struttura 23. La struttura 23 ha possibilità di rotazione “α” e inclinazione “β” attorno ad un asse azimutale 24 e, rispettivamente, attorno ad un asse zenitale 26 per indir izzare i raggi del sole in modo ott imizzato sugli elementi concentratori 18. A questo scopo, un dispositivo di tracciamento 27 orienta la struttura 23 nella posizione ottimizzata tramite meccanismi di orientamento 28 e 31.

Un convertitore 32 converte l’energia elettrica prodotta dalle celle fotovoltaiche 17 ai valori richiesti per l’uso immediato o per il riversamento sulla rete.

Il sistema 16 può operare per generare esclusivamente l’energia elettrica e, in questo caso, il calore prodotto nelle celle 17 è direttamente dissipato nell’ambiente. In alternativa, il sistema 16 può operare in funzione cogenerativa utilizzando il calore prodotto nelle celle 17, ad esempio in uno scambiatore di calore 34 tramite un fluido convogliatore per la produzione di acqua calda, e/o per impieghi di refrigerazione tramite gas refrigeranti.

In accordo con una prima caratteristica dell’invenzione, nel sistema 16, le lenti di Fresnel 19 e i riflettori 21 sono disposti in uno spazio a basso vuoto. Ciò consente di minimizzare le dispersioni di calore dalle celle fotovoltaiche verso il riflettore 21 e verso le lenti 19, con miglioramento complessivo delle prestazioni e garantendo basse temperatura ai componenti ottici.

Convenientemente, ciascun elemento concentratore 18 è a tenuta stagna, con le lenti di Fresnel 19 e l’ottica secondaria 22 incollate al riflettore 21 ed in cui è stato creato il basso vuoto. In dettaglio, le lenti di Fresnel 19 sono in materiale plastico acrilico, per un costo di produzione relativamente limitato. Il riflettore 21 ha forma sostanzialmente tronco-conica con diametro maggiore che, nell’uso, è nella parte superiore.

In un’altra alternativa di Fig.5, i riflettori di un modulo, indicati con 37 sono integrati in una scatola 38, ed in cui le lenti di Fresnel, qui indicate con 39 sono ricavate da una lastra incollata al bordo superiore della scatola 38. L’ottica secondaria, indicata con 41 è integrata in un blocco 42, comprendente la cella fotovoltaica 17 e che è fissata sul fondo della scatola 38. Anche l’insieme costituito dalla scatola 38 e dalle lenti di Fresnel è in uno spazio a basso vuoto, mentre una serie di separatori 43, con funzioni di nervature riducono le tensioni sulla lastra che definisce le lenti 39 dovute alla pressione ambiente

Le celle fotovoltaiche 17 hanno dimensioni di circa 10mm ×10mm di lato e sono in arseniuro di gallio (GaAs) a tripla giunzione. Tali celle s o n o s e n s i b i l i a d u n a v a sta gamma di radiazioni spettrali (250÷1.700 nm). Così funzionano dall’ultravioletto al lontano infrarosso e l’insieme costituito dal riflettore 21, dalle lenti 19 e dall’ottica secondaria 22 è in grado di fare operare le celle 17 con elevatissima efficienza. Impiegando ottiche specificatamente accordate con le varie lunghezze d'onda, è possibile aggiungere o sottrarre il fattore termodinamico, trasformando il sistema da semplice generatore fotovoltaico a sistema cogenerativo (elettricità termodinamica).

Le perdite per riflessione multipla del fascio di luce principale nel riflettore 21 sono minimizzate, calibrando correttamente il diametro superiore del cono che definisce il riflettore 21. In dettaglio, tale diametro è adattato perfettamente alle dimensioni del disco di Airy prodotto dalla lente di Fresnel al proprio fuoco e che contiene l’84% dell’energia, mentre il restante 16% è distribuito sulle successive frange intorno al disco di Airy.

Anche il fascio secondario emergente dal riflettore 21 verso le celle 17 è soggetto a ottimizzazioni ad opera dell’ottica secondaria 22. Ad esempio essa può essere costituita da una lente concentratrice interposta tra il cono che definisce il riflettore 21 e la cella 17 qualora si renda necessaria una ulteriore focalizzazione. In alternativa si può usare una lente spianatrice di campo, sempre interposta tra il cono e la cella 17, qualora il fascio riflesso non copra completamente l’area bersaglio della cella 17 verso la quale è indirizzato.

Ancora, l’ottimizzazione può essere ottenuta meccanicamente attraverso il convogliamento progressivo del fascio riflesso condizionandolo un una guida d’onda conica a riflessioni interne multiple. Infine, la forma delle superfici riflettenti del riflettore 19 possono essere configurate come curve del 2° ordine, favorendo così una ulteriore concentrazione.

In una soluzione alternativa, non mostrata nelle figure, l’elemento concentratore può comprendere una parabola in configurazione ottica Cassegrain o al primo fuoco della parabola stessa.

In generale, con riferimento a Fig. 6, la cella fotovoltaica 17 è integrata in un blocco cella 46 che comprende, sovrapposti, un dissipatore in rame 47, sul quale è montato, in modo isolato elettricamente, un connettore 48, un film elettricamente isolante 49 ed una piastra 51 con circuiti stampati di collegamento con la cella 22, munito di un connettore 52. In Fig. 6, il blocco 46 è a valle di un riflettore che termina con una lastra trasparente (non mostrata nelle figure), a tenuta stagna con il riflettore, ed in cui l’ottica secondaria, indicata con 41, è integrata nel blocco 46.

Nel caso di un sistema 16 con funzione di semplice generatore fotovoltaico, e come indicato in Fig. 2, il dissipatore in rame 47 è accoppiato ad un dissipatore alettato 53 raffreddato ad aria. Per un sistema 16 con funzione cogenerativa e refrigerazione a fluido (Fig.3) sono anche previsti manicotti 54 e 56 per il passaggio del fluido, che attraversano il film 49 ed la piastra 51 e sono saldati al dissipatore 47.

Con il dimensionamento sopra definito, il sistema 16 per la produzione di energia opera con una concentrazione di circa 500 “soli” ed una efficienza elettrica di circa il 40%.

In accordo con una seconda caratteristica dell’invenzione, il sistema 16 (Fig.2 e 3) comprende un dispositivo di sicurezza 61 che include sonde termiche 62 per le celle fotovoltaiche 17 e otturatori 63 interposti fra le ottiche di uscita 22 e le celle 17. Gli otturatori 63 sono attivabili per intercettare i flussi fotonici diretti alle celle 17 ed un gruppo di controllo 64 risponde ad informazioni delle sonde termiche 62 per attivare gli otturatori 63 nel caso di raggiungimento di predeterminati valori di temperatura delle celle 17.

Le sonde termiche 62 sono di tipo noto e, ad esempio, sono montate a contatto termico con il dissipatore 47. Gli otturatori 63 hanno lamelle a diaframma, normalmente aperti e chiusura a iride su comando elettromagnetico attivato dal gruppo di controllo 64. La riapertura può essere temporizzata ovvero attivata da una seconda sonda termica, quando il dissipatore, dopo raffreddamento, abbia raggiunto una temperatura accettabile. La chiusura potrà essere definitiva al ripetersi per un predeterminato numero di volte della condizione di anomalia.

In accordo con una terza caratteristica dell’invenzione, il dispositivo di tracciamento 27 del sistema 17 comprende un primo inseguitore solare 71 basato su rilevamento satellitare (GPS), un secondo inseguitore solare 72 basato su differenziale fotonico ed un gruppo di controllo 73 per attivare i meccanismi di orientamento 28 e 27 in risposta ad informazioni del primo inseguitore solare 71 per un posizionamento di riferimento delle celle 17 e dei rispettivi concentratori 18 e in risposta ad informazioni del secondo inseguitore solare 72 per un posizionamento fine delle celle e dei concentratori.

Così, il sistema 16 unisce due tecniche distinte per l'inseguimento solare: il GPS, o astronomico e l'azimutale, o sistema a differenziale fotonico. Il primo inseguitore solare 71, a GPS, indica al sistema quale sia la presunta posizione del sole, con un errore medio di circa ±3°. Il secondo inseguitore solare 72, azimutale, entra in funzione all'interno della finestra di errore del GPS, correggendo in modo continuo l'eventuale errore degli assi azimuth e zenith, e portando virtualmente a zero l'errore d’inseguimento.

Nel caso di sistemi a concentrazione, questo significa un guadagno di c irca i l 15% sul l 'energia prodotta derivante dalla bontà del posizionamento ortogonale delle ottiche o delle parabole rispetto alla reale posizione del sole, calcolata per irraggiamento diretto.

Specificatamente, i meccanismi di orientamento 28 e 31 (Fig. 1) comprendono un rispettivo motore 74 e 76 e meccanismi di conversione del moto non mostrati nelle figure. Il primo inseguitore solare 71, a GPS comprende un ricevitore satellitare 77 che, sulla base della posizione del sistema 16 (longitudine e latitudine) e del tempo astronomico calcola la posizione del sole e la sua altezza e fornisce tali indicazioni al gruppo di controllo 73 per pilotare i motori 74 e 76 dei meccanismi di orientamento 28 e 27 per il posizionamento di riferimento della struttura 23.

Il secondo inseguitore solare 72 comprende un rilevatore 78 con differenziale fotonico montato sulla struttura 23 il quale, sulla base dell’irraggiamento ricevuto fornisce al gruppo di controllo 73 le indicazioni di pilotaggio fine dei motori 74 e 76 per il posizionamento fine della struttura 23.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Il dispositivo di tracciamento 27 può anche operare con un sistema eliostatico tale da indirizzare in modo ottimizzato il flusso solare su un sistema fisso.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la produzione di energia da fonte fotovoltaica a concentrazione comprendente celle fotovoltaiche per la conversione di raggi solari ed elementi concentratori ad alto guadagno per le suddette celle aventi lenti di Fresnel e riflettori che ricevono i raggi delle lenti di Fresnel con indirizzamento alle celle fotovoltaiche, il suddetto sistema essendo caratterizzato dal fatto che le lenti di Fresnel e i riflettori sono disposti in uno spazio a basso vuoto.
2. 2. Sistema in accordo con la rivendicazione 1, in cui il riflettore di ciascun elemento concentratore ha una finestra di uscita per un fascio concentrato diretto ad una rispettiva cella fotovoltaica, detto sistema essendo caratterizzato da ciò che la lente di Fresnel e la finestra di uscita dell’elemento concentratore sono fissate in modo stagno ad un bordo del suddetto riflettore e nel quale è stato creato un basso vuoto.
3. 3. Sistema in accordo con la rivendicazione 2 caratterizzato da ciò che le lenti di Fresnel sono in materiale acrilico e sono incollate in modo stagno ai rispettivi bordi dei riflettori.
4. 4. Sistema in accordo con la r ivendicazione 1 o 2 o 3 caratterizzato da ciò che ciascun elemento concentratore comprende un’ottica secondaria di ulteriore concentrazione del fascio incidente su detto riflettore ed in cui l’ottica secondaria è mantenuta nello spazio a basso vuoto.
5. 5. Sistema in accordo con la r ivendicazione 2 o 3 e 4 caratterizzato da ciò che la finestra di uscita è costituita dalla suddetta ottica secondaria.
6. 6. Sistema in accordo con una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato da ciò che le celle fotovoltaiche sono in arseniuro di gallio (GaAs) a tripla giunzione operativi dall’ultravioletto al lontano infrarosso e con ottiche accordate con le varie lunghezze d'onda in modo da aggiungere o sottrarre il fattore termodinamico per impieghi come semplice generatore fotovoltaico in funzione cogenerativa.
7. 7. Sistema in accordo con una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato da ciò che detto riflettore è di tipo conoidale ed in cui il diametro superiore è adattato perfettamente alle dimensioni del disco di Airy prodotto dalla lente di Fresnel al proprio fuoco.
8. 8. Sistema in accordo con una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato da ciò che comprende un dispositivo di sicurezza includente sonde termiche per le celle fotovoltaiche, otturatori interposti fra i riflettori e le celle fotovoltaiche, un gruppo di controllo per le celle fototovoltaiche, in cui detti otturatori sono attivabili per intercettare i flussi fotonici diretti alle celle ed in cui il gruppo di controllo risponde ad informazioni delle sonde termiche per attivare gli otturatori nel caso di raggiungimento di predeterminati valori di temperatura delle celle.
9. 9. Sistema in accordo con una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato da ciò che comprende un dispositivo di tracciamento solare includente meccanismi di orientamento secondo assi azimuth e zenith per le celle e i concentratori, detto dispositivo di tracciamento il comprendendo un primo inseguitore solare basato su rilevamento satellitare (GPS), un secondo inseguitore solare basato su differenziale fotonico ed un gruppo di controllo per pilotare i meccanismi di orientamento in risposta ad informazioni del primo inseguitore solare per un posizionamento di riferimento delle celle e dei rispettivi concentratori e in risposta ad informazioni del secondo inseguitore solare per un posizionamento fine delle celle e dei concentratori.
10. 10. Concentratore per una cella fotovoltaica comprendente una lente di Fresnel, un riflettore che riceve i raggi della lente di Fresnel ed una lente di uscita per detto riflettore affacciata alla cella fotovoltaica, il suddetto concentratore essendo caratterizzato da ciò che la lente di Fresnel, il riflettore e la lente di uscita formano un insieme stagno isolato dall’ambiente e a basso vuoto.