ITTS20130005A1 - Apparato di conversione dell'energia solare e relativo procedimento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un apparato di conversione dell’energia solare, configurato per convertire l’energia luminosa dei raggi solari almeno in energia elettrica.

Il presente trovato si riferisce anche ad un procedimento di conversione dell’energia solare in energia elettrica.

STATO DELLA TECNICA

Uno dei problemi cruciali del processo di conversione di energia solare in energia elettrica mediante celle fotovoltaiche è riuscire ad ottenere efficienze di conversione più elevate con lo scopo di rendere i processi fotovoltaici più competitivi rispetto aN'uso di combustibili fossili, possibilmente raggiungendo e superando la cosiddetta "grid-parity". La tecnologia fotovoltaica più diffusa presentemente a livello commerciale, usa pannelli piani di celle, basate su un materiale semiconduttore. Questa tecnologia ha limitata efficienza di conversione e rapporto sfavorevole fra superficie deirimpianto ed energia prodotta. Al fine di ovviare a questi svantaggi, recentemente sono stati messi in funzione impianti che usano elementi ottici di concentrazione del flusso solare (specchi parabolici, lenti di Fresnel), in combinazione con celle solari multi-giunzione. Le celle multi-giunzione tuttavia richiedono tecniche di costruzione complesse e sono quindi molto costose. Utilizzando sistemi ottici focalizzanti (basati su materiali a basso costo come alluminio e vetro), con rapporti di concentrazione molto elevati (tipicamente 500-1000), questo tipo di sistema diventa tuttavia molto competitivo perché la superficie necessaria di materiale multi-giunzione risulta limitata. Questo tipo d'impianto ha già cominciato ad affermarsi anche commercialmente negli USA. Per contenere i costi, è necessario esperire rapporti di concentrazione del flusso solare molto elevati e questo comporta sia problemi di dissipazione del carico termico, sia problemi di stabilità meccanica.

Uno scopo del presente trovato è realizzare un apparato di conversione dell'energia solare che permetta di incrementare l’efficienza di conversione e diminuire il costo degli apparati.

Un ulteriore scopo del presente trovato è di mettere a punto un procedimento di conversione dell’energia luminosa che permetta di minimizzare la superficie di esposizione ai raggi solari (a parità di energia prodotta). Per ovviare agli inconvenienti delle tecniche note, e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, i Richiedenti hanno studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato, o varianti dell'idea di soluzione principale. In accordo con i suddetti scopi, forma oggetto del presente trovato un apparato di conversione dell'energia solare, configurato per convertire raggi solari in energia elettrica. Il sistema oggetto del presente trovato utilizza la concezione dei sistemi a concentrazione, accoppiandola però con un metodo originale di suddivisione dello spettro solare nelle sue componenti spettrali.

L’apparato di conversione in accordo con il presente trovato comprende:

- un dispositivo concentratore primario configurato per ricevere e concentrare i raggi solari in un punto o zona di concentrazione;

- un secondo dispositivo concentratore disposto affacciato a detto dispositivo concentratore primario, e configurato per ricevere i raggi solari da quest’ultimo e confocale con esso per generare un fascio luminoso concentrato di raggi paralleli;

- la geometria di detti dispositivi concentratori è realizzata in modo che il fascio luminoso concentrato di raggi paralleli abbia una sezione di cui almeno uno dei lati sia di dimensioni minimali;

- un dispositivo di suddivisione spettrale configurato per ricevere il fascio luminoso concentrato di raggi paralleli e per suddividere quest’ultimo in una pluralità di bande spettrali;

- una pluralità di dispositivi di conversione ciascuno dei quali configurato per convertire l’energia luminosa di almeno una delle bande spettrali in energia elettrica, essendo ciascun dispositivo di conversione selettiva sensibile almeno a tale banda spettrale.

L'apparato di conversione, secondo il presente trovato, permette una conversione efficiente dell’energia luminosa in energia elettrica grazie alla suddivisione in una pluralità di bande spettrali del fascio luminoso concentrato. Infatti, le bande spettrali ottenute dal dispositivo di suddivisione hanno un contenuto spettrale differente l’una dall’altra ed in particolare ciascuna banda spettrale ha lunghezze d’onda comprese in un intervallo continuo. Questo permette l’utilizzo di dispositivi di conversione selettiva, progettati e sensibili per la determinata banda spettrale cui saranno adibiti durante l’uso.

Inoltre, la suddivisione in bande spettrali permette di escludere componenti spettrali parassite per i dispositivi di conversione, quali, ad esempio, le radiazioni del lontano infrarosso.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di forme di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 illustra forme di realizzazione di un apparato di conversione dell’energia solare in accordo con il presente trovato;

- la fig. 2 illustra ulteriori forme di realizzazione di un apparato di conversione dell’energia solare in accordo con il presente trovato.

Per facilitare la comprensione, numeri di riferimento identici sono stati utilizzati, ove possibile, per identificare elementi comuni identici nelle figure. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni.

DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE

Si farà ora riferimento nel dettaglio alle varie forme di realizzazione del trovato, delle quali uno o più esempi sono illustrati nelle figure allegate. Ciascun esempio è fornito a titolo di illustrazione del trovato e non è inteso come una limitazione dello stesso. Ad esempio, le caratteristiche illustrate o descritte in quanto facenti parte di una forma di realizzazione potranno essere adottate su, o in associazione con, altre forme di realizzazione per produrre un’ulteriore forma di realizzazione. Resta inteso che il presente trovato sarà comprensivo di tali modifiche e varianti.

La fig. 1 è utilizzata per descrivere forme di realizzazione di un apparato di conversione 10 dell’energia solare, configurato per convertire raggi solari 14 almeno in energia elettrica.

L’apparato di conversione 10, in accordo con il presente trovato, comprende un dispositivo concentratore 11 configurato per concentrare i raggi solari 14 in un punto o zona di concentrazione 15.

Secondo possibili soluzioni realizzative, il dispositivo concentratore 11 comprende una superficie di ricezione 27, o superficie riflettente, sulla quale incidono i raggi solari provenienti dall’ambiente.

In forme di realizzazione in accordo con le figg. 1 e 2, il dispositivo concentratore 11 può comprendere un primo specchio 19 definente con la sua superficie riflettente la suddetta superficie di ricezione 27.

In forme di realizzazione, la superficie di ricezione 27 può presentare una sezione trasversale concava con forma poligonale (non illustrata), ad esempio, rettangolare, esagonale, semicircolare, curva, o una combinazione delle precedenti.

In forme di realizzazione, la superficie di ricezione 27 può avere una configurazione parabolica o sferica.

Nel caso in cui il primo specchio 19 abbia una superficie di ricezione 27 parabolica, si può prevedere che esso si estenda longitudinalmente per una determinata lunghezza oppure abbia una configurazione a paraboloide. Uno specchio con superficie di ricezione 27 parabolica o sferica permette di riflettere ed indirizzare i raggi luminosi incidenti su quest'ultima nel suo punto focale.

In forme di realizzazione, il dispositivo concentratore 11 può comprendere una struttura di supporto, non illustrata, configurata per sostenere almeno il primo specchio 19.

La struttura di supporto può, ad esempio, comprendere un meccanismo di orientazione, anche noto come meccanismo ad inseguimento, configurato per orientare almeno il primo specchio 19 in relazione alla posizione del Sole, al fine di ricevere la massima quantità di raggi solari 14 possibile a tutte le ore del giorno.

In accordo con una forma di realizzazione, l’apparato di conversione 10 comprende un convogliatore ottico 12 disposto affacciato al dispositivo concentratore 11 e configurato per ricevere i raggi solari 14 da quest’ultimo e per generare un un fascio luminoso concentrato 16.

Per fascio luminoso concentrato 16 si intende un fascio di sezione ridotta nella quale è concentrata l’energia trasportata dai raggi solari 14.

In forme di realizzazione in accordo con le figg. 1 e 2, il convogliatore ottico 12 può comprendere una superficie riflettente 28 nella quale i raggi solari 14 provenienti dal dispositivo concentratore 11 vengono focalizzati per generare il fascio luminoso concentrato 16.

In accordo con una possibile soluzione realizzativa, la superficie rifletente 28 presenta una configurazione concava.

In accordo con possibili formulazioni del presente trovato, la superficie rifletente 28 può avere una configurazione a calota sferica, a paraboloide e simile superficie concava per la ricezione dei raggi solari 14.

In una possibile realizzazione del trovato, la superficie rifletente 28 può presentare una forma della sezione trasversale poligonale, semicircolare, curva, o una combinazione delle precedenti.

In forme di realizzazione, il secondo specchio 20 ha dimensioni ridote rispeto al primo specchio 19. Ciò permete almeno di evitare che il secondo specchio 20, posto affacciato al primo specchio 19, crei una zona d’ombra sulla superficie di ricezione 27 del primo specchio 19 e limiti di conseguenza la superficie utile della superficie di ricezione 27.

In altre forme di realizzazione, il secondo specchio 20 può essere di tipo parabolico, ad esempio facendo coincidere il fuoco del secondo specchio 20 parabolico con il punto di arrivo 21.

In forme di realizzazione, il primo specchio 19 ed il secondo specchio 20 possono essere compresi in un’unica strutura e collegati in modo stabile e stazionario a realizzare un corpo unico.

L’apparato di conversione 10 comprende, inoltre, un dispositivo di suddivisione 13 configurato per ricevere il fascio luminoso concentrato 16 e suddividerlo in una pluralità di bande spetrali 17.

In possibili forme di realizzazione, il dispositivo concentratore 11 può essere interposto fra il convogliatore ottico 12 ed il dispositivo di suddivisione 13.

In forme di realizzazione, la superficie di ricezione 27 può essere provvista di un’apertura passante 22 realizzata per permettere il passaggio del fascio luminoso concentrato 16 attraverso il dispositivo di suddivisione 13. In forme di realizzazione, il dispositivo di suddivisione 13 può comprendere un prisma ottico 23.

Il prisma ottico 23 scompone per rifrazione il fascio luminoso concentrato e laminare 16 in componenti spettrali di diversa lunghezza d'onda dalle quali è possibile individuare le suddette bande spettrali 17 le quali definiscono assieme un fascio cromatico 24. Il prisma ottico 23, è tipicamente realizzato in un materiale trasparente, quale vetro o quarzo. Il prisma ottico 23 può presentare una forma tale da suddividere un fascio composto di luce bianca, nel caso in specie il fascio luminoso concentrato 16, nelle singole componenti spettrali grazie al fenomeno della dispersione angolare, regolato dalla legge di Snell. Ciascuna componente spettrale del fascio cromatico 24 esce dal prisma ottico 23 con un diverso angolo di uscita, dipendente dalla lunghezza d’onda della componente spettrale stessa, il ché permette di identificare le bande spettrali 17 tramite una suddivisione spaziale effettuata su un’area sottesa dal fascio 26 che è trasversale rispetto alle bande spettrali 17.

In altre parole, le diverse componenti spettrali del fascio policromatico 24 sono disposte in modo consecutivo e continuo, andando, ad esempio, dall’infrarosso all’ultravioletto, comprendendo tutte le radiazioni elettromagnetiche della luce visibile.

Il prisma ottico 23 può risultare vantaggioso in quanto presenta ottime caratteristiche di dispersione delle componenti spettrali.

In forme di realizzazione in accordo con fig. 2, il dispositivo di suddivisione 13 può comprendere un reticolo dispersivo 123, che svolge funzione analoga al prisma ottico 23.

Il reticolo dispersivo 123 permette la suddivisione del fascio luminoso concentrato 16 grazie a fenomeni del diffrattivi basati sull’interferenza della radiazione elettromagnetica.

L’apparato di conversione 10 comprende, inoltre, una pluralità di dispositivi di conversione 18 configurati per convertire l’energia luminosa propria di ciascuna banda spettrale 17, in energia elettrica.

In particolare, ciascun dispositivo di conversione 18 è opportunamente dimensionato e progettato per convertire in modo efficace ed efficiente l’energia luminosa trattata da una determinata banda spettrale 17.

In forme di realizzazione, i dispositivi di conversione 18 possono comprendere celle fotovoltaiche a specifica fotosensibilità, ovvero maggiormente efficienti nella conversione da energia luminosa ad energia elettrica in determinati intervalli di lunghezza d’onda.

In particolare è possibile scegliere/progettare giunzioni di semiconduttori differenti con diverse 'gap' di energia fra la banda di valenza e la banda di conduzione del semiconduttore in modo da ottimizzare l'efficienza di conversione in ciascun intervallo spettrale.

In possibili forme di realizzazione, i dispositivi di conversione 18 sono disposti in modo da rilevare ciascuno le radiazioni di una determinata banda spettrale 17. Le celle fotovoltaiche a specifica fotosensibilità possono essere realizzate con diversi materiali, ad esempio, leghe di silicio-gemanio, di arseniuro di gallio e alluminio, fosfuro di gallio e alluminio, ecc.

In forme di realizzazione, i dispositivi di conversione 18 possono essere disposti secondo una configurazione a matrice tale da ottimizzare l’assorbimento delle bande spettrali 17.

La divisione in bande spettrali 17 permette inoltre dì escludere frequenze 'parassite'. In particolare, il dispositivo di suddivisione 13 può essere configurato per scorporare dal fascio policromatico 24 le radiazioni del lontano infrarosso, che contribuiscono all’aumento di temperatura delle celle fotovoltaiche. Infatti, un aumento della temperatura delle celle fotovoltaiche provoca una riduzione dell’efficienza di conversione.

In forme di realizzazione descritte utilizzando le figg. 1 e 2, la sopra menzionata area sottesa dal fascio 26 viene definita dal fascio cromatico 24 incidente sui dispositivi di conversione 18.

In forme di realizzazione in accordo con figg. 1 - 2, i dispositivi di conversione 18 possono essere integrati in un unico dispositivo di conversione 25.

In forme di realizzazione, l'apparato di conversione 10 può comprendere anche un dispositivo di raffreddamento 29. Il dispositivo di raffreddamento 29 può comprendere ad esempio dispositivi di condizionamento o raffreddamento ad aria o a liquido. Tipicamente il dispositivo di raffreddamento 29 può essere configurato per raffreddare i dispositivi di conversione 18 e garantire le condizioni di massima efficienza nel tempo.

È chiaro che all’apparato di conversione dell’energia luminosa solare e relativo procedimento di conversione fin qui descritti possono essere apportate modifiche e/o aggiunte parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.

È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz’altro realizzare molte altre forme equivalenti di apparato di conversione dell’energia luminosa solare e relativo procedimento di conversione, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell’ambito di protezione da esse definito.

Si rammentano le numerazioni delle figg. 1-2: 10 apparato di conversione; 11 dispositivo concentratore; 12 convogliatore ottico; 13 dispositivo di suddivisione; 14 raggi solari; 15 punto o zona di concentrazione; 16 fascio luminoso concentrato; 17 bande spettrali; 18 dispositivi di conversione; 19 primo specchio; 20 secondo specchio; 22 apertura passante; 23 prisma ottico; 24 fascio cromatico; 25 dispositivo di conversione; 26 area sottesa dal fascio; 27 superficie di ricezione; 28 Superficie riflettente; 29 Dispositivo di raffreddamento; 123 reticolo dispersivo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato di conversione dell’energia solare almeno in energia elettrica, comprendente un dispositivo concentratore (11) configurato per ricevere e concentrare raggi solari (14) in un punto o zona di concentrazione (15), caratterizzato dal fatto che comprende: - un convogliatore ottico (12) disposto affacciato a detto dispositivo concentratore (11) e configurato per ricevere detti raggi solari (14) da quest'ultimo e per generare un fascio luminoso concentrato (16); - un dispositivo di suddivisione (13) configurato per ricevere detto fascio luminoso concentrato (16) e suddividere detto fascio luminoso concentrato (16) in una pluralità di bande spettrali (17); - una pluralità di dispositivi di conversione (18) ciascuno dei quali configurato per convertire l’energia luminosa di almeno una di dette bande spettrali (17) in energia elettrica.
2. 2. Apparato come nella rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che almeno uno fra detto dispositivo concentratore (11) e detto convogliatore ottico (12) comprendono almeno uno specchio (19, 20) definente almeno una superficie riflettente (27, 28) concava.
3. 3. Apparato come nella rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo concentratore (11) comprende un primo specchio (19) e detto convogliatore ottico (12) comprende un secondo specchio (20), e che detto primo specchio (19) e detto secondo specchio (20) presentano le proprie superfici riflettenti (27, 28) affacciate tra loro.
4. 4. Apparato come nella rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette superfici riflettenti (27, 28) hanno configurazione parabolica o almeno parzialmente sferica, e sono posizionate in modo da disporre i loro fuochi coincidenti (sono cioè confocali).
5. 5. Apparato come nella rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detto primo specchio (19) è provvisto di un’apertura passante (22) configurata per permettere il passaggio di detto fascio luminoso concentrato (16) attraverso detta superficie riflettente (27) e verso detto dispositivo di suddivisone (13).
6. 6. Apparato di conversione come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo concentratore (11) è interposto fra detto convogliatore ottico (12) e detto dispositivo di suddivisione (13).
7. 7. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi di conversione (18) comprendono una pluralità di celle fotovoltaiche.
8. 8. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di suddivisione (13) comprende almeno uno tra un prisma ottico (23) o un reticolo dispersivo di diffrazione (123).
9. 9. Apparato come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende un dispositivo di raffreddamento (29) configurato per raffreddare almeno detti dispositivi di conversione (18).
10. 10. Procedimento di conversione dell’energia solare in energia elettrica comprendente il ricevere e concentrare raggi solari (14) in un punto o zona di concentrazione (15) e caratterizzato dal fatto che comprende - ricevere detti raggi solari (14) concentrati in detto punto o zona di contrazione (15) e generare un raggio luminoso concentrato (16); - suddividere detto fascio luminoso concentrato (16) in una pluralità di bande spettrali (17); - convertire l’energia luminosa propria di almeno una di dette bande spettrali (17) in energia elettrica.