PT1715260E - Colector solar concentrador com elemento óptico sólido - Google Patents

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PT1715260E
PT1715260E PT61127486T PT06112748T PT1715260E PT 1715260 E PT1715260 E PT 1715260E PT 61127486 T PT61127486 T PT 61127486T PT 06112748 T PT06112748 T PT 06112748T PT 1715260 E PT1715260 E PT 1715260E
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David K Fork
Patrick Y Maeda
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Palo Alto Res Ct Inc
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Description

DESCRIÇÃO "COLECTOR SOLAR CONCENTRADOR COM ELEMENTO ÓPTICO SÓLIDO"
CAMPO DA INVENÇÃO
Esta invenção refere-se a geradores de energia solar, mais particularmente a colectores solares concentradores.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Os dispositivos fotovoltaicos colectores de energia solar utilizados para gerar energia elétrica incluem, geralmente, colectores de painel plano e colectores solares concentradores. Os colectores planos incluem, geralmente, conjuntos de células fotovoltaicas e eletrónica associada, formados em substratos semicondutores (e. g. , silício monocristalino ou silício policristalino) e o débito de energia elétrica a partir de colectores planos é uma função direta da área do conjunto, exigindo, desse modo, grandes substratos semicondutores dispendiosos. Os colectores solares concentradores reduzem a necessidade de grandes substratos semicondutores, ao concentrarem feixes de luz (i. e., raios solares) utilizando, e. g. , reflectores ou lentes parabólicas que focam os feixes, criando um feixe mais intenso de energia solar que é dirigido para uma pequena célula fotovoltaica. Por este motivo, os colectores solares concentradores possuem uma vantagem sobre os colectores de painel plano na medida em que utilizam quantidades substancialmente menores de semicondutores. Outra vantagem que 1 os colectores solares concentradores possuem sobre os colectores de painel plano é que são mais eficientes na geração de energia elétrica.
Os documentos DE 3104690 Al, US 2004/070855, US 4131485 A, EP 0200496 A2, JP 2122159 A, US 4947825 A, US 2005/046977 Al e KR 20010104037 A divulgam sistemas de concentradores solares compreendendo um espelho primário e um secundário, bem como uma célula fotovoltaica proporcionada no ponto focal do espelho secundário que, em particular, é formada com a forma de um espelho hiperbólico, enquanto o primário representa um espelho parabólico. O sistema de concentrador solar ensinado em US 2004/070855 compreende uma lente de plástico não penetrada é descrito compreendendo uma primeira e uma segunda superfície, em que algumas das partes das superfícies podem ser dotadas de revestimentos reflectores. R. Winston et al, num artigo intitulado "Non-imaging optics", Academic Press, ISBN-13: 9780127597515, 2005-01-05, descreve a utilização de concentradores no contexto de colectores solares. Descreve-se um concentrador XX compreendendo dois reflectores.
Um problema com os concentradores de colector solar convencional é que são dispendiosos de produzir, operar e manter. Os reflectores e/ou lentes utilizados em colectores convencionais para focar os feixes de luz são produzidos separadamente e deve ser cuidadosamente montados para proporcionar o alinhamento apropriado entre o feixe focado e a célula fotovoltaica. Além disso, ao longo do tempo, os reflectores e/ou lentes podem ficar desalinhados devido a ciclos térmicos ou vibrações e podem ficar sujos devido à exposição ao 2 meio ambiente. A manutenção sob a forma de limpeza e ajuste dos reflectores/lentes pode ser significativa, particularmente quando os reflectores/lentes são produzidos com formas irregulares que são dificeis de limpar. É necessária uma célula PV do tipo concentrador e conjunto que evitem os dispendiosos custos de montagem e manutenção associados às células PV do tipo concentrador convencionais.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção dirige-se a um colector solar concentrador do tipo Cassegrain, eficiente, que recolha (e. g., foque ou concentre) luz numa célula fotovoltaica por reflexão da luz entre os espelhos, primário e secundário, fixos a superfícies internas opostas de um elemento óptico sólido, transmissor de luz (e. g., vidro). A presente invenção proporciona um colector solar concentrador compreendendo: um sólido integrado compreendendo: um elemento óptico transparente à luz possuindo um primeiro lado incluindo uma superfície convexa relativamente grande, uma região central plana definida numa parte central da superfície convexa, um segundo lado incluindo uma superfície de abertura substancialmente plana e uma superfície côncava relativamente pequena definida numa parte central da superfície de abertura; 3 um espelho primário disposto na superfície convexa; e um espelho secundário disposto na superfície côncava, em que o espelho primário e espelho secundário compreendem películas de espelho reflector formadas directamente sobre a superfície convexa e a superfície côncava, respectivamente, de tal modo que o espelho primário e o espelho secundário definam um ponto focal num eixo óptico coincidente, de tal modo que um feixe de luz que se desloque substancialmente paralelo ao eixo óptico e dirigido através de uma região seleccionada da superfície de abertura é reflectido por uma região correspondente do espelho primário na direcção do espelho secundário, e é novamente reflectido por uma região correspondente do espelho secundário para o ponto focal; e célula fotovoltaica montada na região central plana do elemento óptico e disposta no referido ponto focal.
Devido ao elemento óptico ser sólido (i. e., devido às superfícies convexa e côncava permanecerem fixas uma relativamente à outra), os espelhos, primário e secundário, permanecem alinhados de modo permanente, mantendo, por este motivo, uma operação óptica óptima minimizando custos de manutenção. Além disso, a perda de luz nas interfaces gás/sólido é minimizada uma vez que apenas material sólido de elemento óptico (e. g., vidro com baixo teor em ferro) está posicionado entre os espelhos primário e secundário. 4
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão mais compreensíveis com referência à descrição seguinte, reivindicações anexas e desenhos anexos, em que: A Fig. 1 é uma vista em perspectiva explodida mostrando uma célula de colector solar concentrador de acordo com uma forma de realização da presente invenção; A Fig. 2 é uma vista lateral mostrando a célula de colector solar concentrador da Fig. 1 durante o funcionamento; A Fig. 3 é uma vista em perspectiva explodida mostrando uma célula de colector solar concentrador de acordo com outra forma de realização da presente invenção; A Fig. 4 é uma vista lateral de fundo, em perspectiva, mostrando a célula de colector solar concentrador da Fig. 3; A Fig. 5 é uma vista em perspectiva mostrando um painel óptico de acordo com outra forma de realização da presente invenção; A Fig. 6 é uma vista lateral simplificada mostrando um conjunto de colector solar concentrador incluindo o painel óptico da Fig. 5 de acordo com outra forma de realização da presente invenção; 5 A Fig. 7 é uma vista lateral em corte mostrando uma célula de colector solar concentrador do conjunto da Fig. 6 com detalhe adicional;
As Fig. 8 (A) , 8 (B) e 8 (C) são vistas laterais posteriores ampliadas, em perspectiva, ilustrando um método para montar uma célula fotovoltaica e um díodo de passagem na célula de colector solar concentrador da Fig. 7 de acordo com outra forma de realização da presente invenção; A Fig. 9 é uma vista lateral posterior, em perspectiva, mostrando um conjunto de colector solar concentrador de acordo com outra forma de realização da presente invenção; e A Fig. 10 é uma vista em planta simplificada mostrando um dispositivo de colector solar incluindo o conjunto de colector solar concentrador da Fig. 9.
DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS A Fig. 1 é uma vista em perspectiva explodida, mostrando um espelho interno de um colector 100 solar concentrador do tipo Cassegrain de acordo com uma forma de realização da presente invenção. O colector 100 solar concentrador inclui, geralmente, um elemento 110 óptico, uma célula 120 fotovoltaica, um espelho 130 primário e um espelho 140 secundário. O elemento 110 óptico é uma estrutura transparente à luz do tipo disco, sólida, incluindo uma camada 111 superior, uma superfície 112 convexa relativamente grande projectando-se a partir de um lado inferior da camada 111 superior, uma superfície 115 de abertura substancialmente plana disposta num lado superior da camada 111 6 superior e uma superfície (depressão) 117 côncava (curva) relativamente pequena definida na superfície 115 de abertura (i. e., estendendo-se para dentro da camada 111 superior). De modo a minimizar o material, peso, espessura e adsorção óptica, a camada 111 superior pode ser muito pequena. A concavidade do espelho 140 secundário pode estender-se para além da espessura da camada 111 superior. A célula 120 fotovoltaica está localizada numa região 113 central, que está localizada no centro de e envolvida pela superfície 112 convexa. O espelho 130 primário está disposto na superfície 112 convexa e o espelho 140 secundário está disposto na superfície 117 côncava. O espelho 130 primário e o espelho 140 secundário são formados e dispostos de tal modo que, como descrito abaixo com mais detalhe, um feixe de luz (raio) que se desloque numa direcção predeterminada (e. g., perpendicularmente à superfície 115 de abertura) que entra no elemento 110 óptico através de uma região específica da superfície 115 de abertura é reflectido por uma região correspondente do espelho 130 primário para uma região associada do espelho 140 secundário e desde a região associada do espelho 140 secundário até à célula 120 fotovoltaica (e. g., directamente do espelho 140 secundário para a célula 120 fotovoltaica ou por meio de uma superfície reflectora ou de refração posicionada entre o espelho secundário e a célula 120 fotovoltaica). Como aqui utilizado, os termos direccionais tais como "superior", "inferior", "acima" e "abaixo" destinam-se a proporcionar posições relativas para fins de descrição e não se destinam a designar um quadro de referência absoluto.
De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o espelho 130 primário e o espelho 140 secundário são fabricados por pulverização catódica ou então por deposição de um material de espelho reflector (e. g., prata (Ag) ou alumínio (Al)) 7 directamente sobre a superfície 112 convexa e a superfície 117 côncava, minimizando, desse modo, os custos de fabrico e proporcionando características ópticas superiores. Por pulverização catódica ou então formação de uma película de espelho na superfície 112 convexa e superfície 117 côncava utilizando uma técnica de fabrico de espelho conhecida, o espelho 130 primário assume substancialmente a forma de superfície 112 convexa e o espelho 140 secundário assume substancialmente a forma de superfície 117 côncava. Como tal, o elemento 110 óptico é moldado ou então fabricado de tal modo que a superfície 112 convexa e a superfície 117 côncava ficam dispostas e perfiladas para produzirem as desejadas formas de espelho. Note-se que, ao formar a superfície 112 convexa e a superfície 117 côncava com a desejada forma de espelho e posição, o espelho 130 primário e o espelho 140 secundário são efectivamente auto-formados e auto-alinhados, eliminando, por este motivo, custos dispendiosos de montagem e alinhamento associados aos colectores solares concentradores convencionais. Também, devido ao espelho 130 primário e espelho 140 secundário permanecerem afixados ao elemento 110 óptico, a sua posição relativa é permanentemente estabelecida, eliminando, desse modo, a necessidade de ajustamento ou realinhamento que possam ser necessários em disposições convencionais de múltiplas peças. Numa forma de realização, o espelho 130 primário e o espelho 140 secundário são formados em simultâneo utilizando o mesmo (idêntico) material ou materiais (e. g., Ag revestida), minimizando, desse modo, os custos de fabrico. Além disso, ao utilizar as superfícies do elemento 110 óptico para fabricar os espelhos, assim que a luz entra no elemento 110 óptico através da superfície 115 de abertura, a luz apenas é reflectida pelo espelho 130 primário/superfície 112 convexa e espelho 140 secundário/superfície 117 côncava antes de atingir a célula 120 fotovoltaica. Como tal, a luz é submetida a apenas uma interface ar/vidro (i. e., superfície 115 de abertura), minimizando, desse modo, perdas que, de outro modo, seriam sentidas pelos colectores solares concentradores convencionais de múltiplas peças. A perda na única interface ar/vidro pode ser ainda reduzida utilizando um revestimento anti-reflector na superfície 115 de abertura. Embora também seja possível formar separadamente o espelho 130 primário e o espelho 140 secundário e, depois, fixar os espelhos à superfície 112 convexa e superfície 117 côncava, respectivamente, este método de produção aumentaria grandemente os custos de fabrico e pode reduzir as superiores características ópticas proporcionadas pela formação de películas de espelho directamente sobre a superfície 112 convexa e superfície 117 côncava.
Numa forma de realização específica, o elemento 110 óptico é moldado utilizando uma estrutura de vidro com baixo teor em ferro (e. g., vidro Optiwhite produzido por Pilkington PLC, RU) de acordo com métodos de moldagem de vidro conhecidos. O vidro moldado com baixo teor em ferro proporciona diversas vantagens relativamente a outros métodos e materiais de produção, tais como superior transmissão e características superficiais (o vidro moldado pode alcançar formas quase perfeitas devido à sua elevada viscosidade, o que impede o vidro de preencher imperfeições na superfície do molde). Embora o vidro moldado seja habitualmente preferido para fabricar o elemento 110 óptico devido às suas superiores características ópticas, algumas das vantagens aqui descritas podem ser alcançadas por elementos ópticos formados utilizando outros materiais de transmissão de luz e/ou técnicas de fabrico. Por exemplo, o plástico transparente pode ser maquinado e polido para formar um 9 elemento 110 óptico de peça única, ou peças separadas podem ser coladas ou então presas para formarem o elemento 110 óptico. A Fig. 2 é uma vista lateral mostrando um colector 100 solar concentrador durante o funcionamento. Semelhante aos colectores solares concentradores convencionais, um sistema de posicionamento de colector (não mostrado; por exemplo, o sistema de seguimento utilizado no sistema MegaModule™ produzido por Amonix, Incorporated of Torrance, Califórnia, EUA) é utilizado para posicionar o colector 100 solar concentrador de tal modo que feixes LB de luz (e. g., raios solares) são dirigidos para a superfície 115 de abertura numa direcção desejada (e. g., perpendicular à superfície 115 de abertura. Uma célula 120 fotovoltaica é disposta substancialmente numa região F concentradora, que designa a região na qual feixes LB de luz são concentrados pelo espelho 130 primário, espelho 140 secundário e quaisquer estruturas ópticas intervenientes (e. g., um concentrador de fluxo dieléctrico). Na forma de realização divulgada, a região F concentradora coincide com uma região 113 central, que foi aplanada (alisada) para facilitar a montagem da célula 120 fotovoltaica e cablagem associada utilizando processamento convencional recolhe-e-coloca e/ou litográfico. Note-se que a região 113 central se localiza directamente por baixo e, por este motivo, definida pela "sombra" do espelho 120 secundário. Note-se também que uma abertura 139 é definida no espelho 130 primário para facilitar a passagem da luz através da região 113 central para a célula 120 fotovoltaica. Para facilitar o posicionamento da região F concentradora na região 113 central, a superfície 112 convexa, espelho 130 primário, superfície 117 côncava, e espelho 140 secundário são centrados em, e substancialmente simétrico em torno de, um eixo X óptico que se estende de modo substancialmente 10 perpendicular à superfície 115 de abertura (i. e., as partes curvas da superfície 112 convexa e superfície 117 côncava são definidas por um arco rodado em torno de um eixo X óptico) . Note-se também que a profundidade de foco (i. e., a distância entre o espelho 140 secundário e a célula 120 fotovoltaica) pode ser ajustada dependendo da óptica seleccionada. Por exemplo, a óptica pode ser seleccionada para produzir um comprimento focal mais pequeno que facilite o encaixe da região 113 central (e, por este motivo, da célula 120 fotovoltaica) dentro do elemento 110 óptico. Em alternativa, a óptica pode ser seleccionada para produzir um comprimento focal maior, que facilite a formação da região 113 central na extremidade de uma mesa estendendo-se abaixo da superfície 112 convexa. 0 tamanho e forma do elemento 110 óptico pode ser alterado para optimizar uma função específica. Em comparação com módulos construídos a partir de concentradores maiores, os módulos construídos a partir de concentradores sólidos possuindo um diâmetro relativamente pequeno irão requerer mais tempo de montagem, para o maior número de concentradores que seriam necessários para gerar um débito desejado de energia, mas tais módulos iriam incorrer em menores perdas de absorção do que os módulos construídos a partir de concentradores maiores. Também, como sugerido anteriormente, a forma do espelho 130 primário e espelho 140 secundário pode assumir uma grande variedade de configurações de modo a alcançar uma desejada região concentradora. Numa forma de realização específica, o elemento 110 óptico possui um diâmetro exterior de 28 mm, um diâmetro exterior de concavidade 117 de 6,8 mm e uma espessura de 7,5 mm, a superfície 112 convexa é formada como uma superfície hiperbólica possuindo um raio de 15,000 mm e uma constante de conicidade de -1,030 e a depressão 117 também é uma 11 superfície hiperbólica possuindo um raio de 3,438 mm e uma constante de conicidade de -2,752. Numa outra forma de realização, a superfície 112 convexa é parabólica e a superfície 117 côncava é hiperbólica. Os especialistas na técnica da óptica reconhecerão que podem ser utilizadas outras superfícies cónicas ou então curvas para obter a reflexão interna necessária para transmitir luz para a célula 120 fotovoltaica. A célula 120 fotovoltaica é montada directamente no elemento 110 óptico ou adjacente a este, dependendo da localização da região F concentradora e da localização da região 113 central. Como indicado na Fig. 2, numa forma de realização a região 113 central inclui uma zona circular plana localizada substancialmente no vértice da superfície 112 convexa. Noutras formas de realização, a zona 113 central pode ser reentrante no elemento 110 óptico (i. e., mais próxima da superfície 117 côncava) ou localizada numa estrutura elevada (i. e., mais a partir da superfície 117 côncava) . Numa forma de realização, a célula 120 fotovoltaica está montada na região 113 central por meio de um adesivo 128 transparente de preenchimento de espaço, tal como silicone (e. g., polidifenilsiloxano ou polimetilfenilsiloxano) que serve para minimizar a quebra disruptiva nos índices de refracção entre a superfície exterior da região 113 central e a célula 120 fotovoltaica. A célula 120 fotovoltaica pode, depois, ser ligada por meio ligações 124 por fio convencionais à cablagem externa. As células fotovoltaicas (concentrador solar) são produzidas, por exemplo, por Spectrolab, Inc. da Sylmar, Califórnia, EUA.
De acordo com outro aspecto da presente invenção, o elemento 110 óptico é utilizado como a estrutura de painel 12 posterior para suportar a célula 120 fotovoltaica e condutores 121 e 122 que estão ligados à célula 120 fotovoltaica por meio de estruturas 124 de ligação por fio convencionais e/ou interligações soldadas. Numa forma de realização, os condutores 121 e 122 podem ser formados, por exemplo, imprimindo ou gravando material condutor sobre o espelho 130 primário, e. g., por meio de uma camada de isolamento (dieléctrica) . Noutra forma de realização, discutida abaixa, o material de espelho primário é utilizado para formar o trajecto condutor (i. e., prevenindo, por este motivo, a necessidade de condutores 121 e 122 separados).
As Fig. 3 e 4 são vistas em perspectiva explodida de topo e vistas em perspectiva de fundo, de montagem, mostrando um colector 200 solar concentrador de acordo com outra forma de realização da presente invenção. Semelhante ao colector 100 solar concentrador, o colector 200 solar concentrador inclui um elemento 210 óptico, uma célula 220 fotovoltaica, um espelho 230 primário e um espelho 240 secundário. O elemento 210 óptico é semelhante em forma ao elemento 110 óptico e inclui uma região 211 superior, uma superfície 212 convexa relativamente grande, uma superfície 215 de abertura substancialmente plana e uma superfície 217 côncava relativamente pequena. A célula 120 fotovoltaica está localizada numa região 213 central. O espelho 230 primário e espelho 240 secundário são formados na superfície 212 convexa e superfície 217 côncava, respectivamente, substancialmente do modo descrito anteriormente, mas com a característica descrita abaixo.
Como indicado na Fig. 3, um bordo periférico da região 211 superior do elemento 210 óptico inclui seis facetas 219 contíguas. Como discutido com mais detalhe abaixo, esta 13 disposição de seis lados facilita a formação de grandes conjuntos de colectores 200 solares concentradores de um modo muito eficiente em termos de espaço. Noutras formas de realização, conjuntos de colectores solares concentradores menos eficientes em termos de espaço podem ser produzidos utilizando concentradores possuindo outras formas periféricas (e. g., a forma periférica circular do concentrador 100, descrito anteriormente).
De acordo com outro aspecto da presente invenção, o espelho 230 primário inclui uma primeira parte 231 de película metálica disposta sobre uma primeira metade da superfície 212 convexa e uma segunda parte 234 de película metálica disposta sobre uma segunda metade da superfície 212 convexa. A primeira parte 231 de película metálica inclui um bordo 232 periférico semi-hexagonal e um bordo 233 interior substancialmente semicircular e a segunda parte 234 de película metálica inclui um bordo 235 periférico semi-hexagonal e um bordo 236 interior substancialmente semicircular. Um fino espaço 237, que é tão estreito quanto possível para evitar a perda de luz reflectida, está definido entre os bordos 233 e 236 interiores para facilitar o isolamento elétrico entre as partes 231 e 234 de película metálica. Como descrito com detalhe adicional abaixo, a formação do espelho 230 primário utilizando duas ou mais partes de película metálica afastadas para utilizar o espelho 230 primário como o trajecto condutor que liga electricamente células fotovoltaicas de colectores adjacentes num conjunto de colector solar concentrador. Semelhante ao colector 100 (descrito anteriormente), a superfície 212 convexa está dotada de uma região 213 central aplanada. Na presente forma de realização, o espelho 230 primário inclui uma estrutura aplanada correspondente incluindo uma primeira parte 238A aplanada que 14 está integralmente ligada à primeira parte 231 de película metálica e uma segunda parte 238B aplanada que está integralmente ligada à segunda parte 234 de película metálica. De acordo com outro aspecto, estas partes aplanadas estão também separadas pelo espaço 237 e uma destas partes aplanadas (e. g., primeira parte 238A aplanada) define uma abertura 239 que coincide com o eixo X óptico para facilitar a passagem de luz reflectida para a célula 220 fotovoltaica, que está presa à região 213 central substancialmente aplanada como descrito anteriormente e mostrado na Fig. 4. A Fig. 5 é uma vista em perspectiva mostrando um painel 300 óptico transparente à luz, sólido, de acordo com outra forma de realização da presente invenção e a Fig. 6 é uma vista lateral simplificada mostrando um conjunto 400A de colector solar concentrador incluindo o painel 300 óptico.
Fazendo referência à Fig. 5, o painel 300 óptico é uma placa transparente à luz, sólida, que inclui um conjunto integrado de partes 210-1 a 210-7 de elementos ópticos (delineadas por linhas a traço interrompido) dispostas num padrão de favo de mel, em que cada parte 210-1 a 210-7 de elemento óptico é substancialmente idêntica ao elemento 210 óptico (que se descreveu anteriormente fazendo referência às
Fig. 3 e 4). Como tal, o painel 300 óptico inclui uma superfície 305 inferior possuindo múltiplas protuberâncias 212 (superfícies convexas) que estão separadas por depressões 307 (indicadas na Fig. 6), e uma superfície 315 (superior) de abertura substancialmente plana, incluindo depressões (superfície convexas) 217 relativamente pequenas, afastadas, sendo cada protuberância 212 e depressão 217 associada simétricas em torno de um eixo X-l a X-7 óptico associado que 15 passa através de um centro de ambas as estruturas. Por exemplo, a parte 210-1 de elemento óptico inclui uma protuberância 212-1 e uma depressão 217-1 que são simétricas e em torno e intersectadas por um eixo X-l óptico. Como indicado na in Fig. 6, a superfície 315 de abertura é colectivamente formada por partes 215 de superfície de abertura contíguas das partes de elemento óptico adjacentes. Por exemplo, uma secção 315-1 da superfície 315 de abertura é formada pela parte 215-1 de superfície de abertura da parte 210-1 de elemento óptico e parte 215-2 de superfície de abertura da parte 210-2 de elemento óptico. Uma vantagem proporcionada pelo painel 300 óptico é que este facilita dispor em conjunto muitos concentradores pequenos de um modo eficiente em termos de espaço de modo a manter o volume do vidro sem que se torne excessivamente grande e a manter a quantidade de energia por célula PV passível de ser gerida sem arrefecimento activo. Também, a superfície 315 de abertura é essencialmente plana e, por esse motivo, relativamente fácil de limpar, minimizando, por este motivo, os custos de manutenção. Na forma de realização preferida, o painel 300 de elemento óptico possui 5 a 20 mm de espessura e cada concentrador 200 possui 20 a 80 mm de largura. Por esse motivo, o painel 300 óptico é relativamente fino e plano e, por esse motivo, relativamente fácil de moldar. A Fig. 6 mostra uma secção do conjunto 400A incluindo colectores 200-1, 200-2 e 200-3 solares concentradores electricamente ligados em série, em que cada um dos colectores 200-1, 200-2 e 200-3 solares concentradores é substancialmente idêntico ao colector 200 solar concentrador (descrito anteriormente fazendo referência à Fig. 4). De acordo com outro aspecto da presente invenção, as partes de película metálica de colectores adjacentes estão integralmente ligadas em 16 depressões adjacentes e as partes de película metálica de colectores adjacentes do colector adjacente estão electricamente acopladas por uma célula fotovoltaica associada, formando, desse modo, um trajecto condutor entre colectores adjacentes. Por exemplo, as partes 231-1 e 234-1 de película metálica do colector 200-1 são electricamente acopladas pela célula 220-1 fotovoltaica e a parte 234-1 de película metálica do colector 200-1 está ligada à parte 234-2 de película metálica do colector 200-2 na depressão 307-1. Os colectores 200-2 e 200-3 estão, de um modo semelhante, ligados em conjunto, formando, desse modo, uma "linha" ligada em série de colectores incluindo os colectores 200-1, 200-2 e 200-3. De acordo com uma forma de realização, cada colector 200-1, 200-2 e 200-3 também inclui um díodo 225 de passagem, possuindo cada díodo de passagem um ânodo ligado à sua primeira parte 231 de película metálica e um cátodo ligado à sua segunda parte 234 de película metálica. Por exemplo, o colector 200-1 inclui um díodo 225-1 possuindo um ânodo ligado à parte 231-1 de película metálica e um cátodo ligado à parte 234-1 de película metálica. Os díodos 225 de passagem facilitam a operação em série (i. e., evitam uma condição de circuito aberto) ao facilitarem o desvio de um colector avariado devido à falha da sua célula fotovoltaica. Os especialistas na técnica reconhecerão que resistências de passagem representam apenas um circuito para facilitar tal operação em série. A Fig. 7 é uma vista lateral em corte mostrando o colector 200-8 solar concentrador de acordo com outra forma de realização da presente invenção. 0 colector 200-8 solar concentrador é essencialmente idêntico aos colectores 200-1 a 200-7 (discutidos anteriormente) com as seguintes características opcionais. 17
De acordo com uma primeira forma de realização opcional mostrada na Fig. 7, o colector 200-8 solar concentrador utiliza pacotes de circuitos integrados de montagem na superfície para montar a célula 220 fotovoltaica e o díodo 225 de passagem nas partes 231 e 234 de película metálica. Na forma de realização divulgada, o díodo 225 de passagem é montado, por exemplo, utilizando solda esférica, de tal modo que o díodo 225 de passagem abranja o espaço 237, com o seu ânodo estando ligado a uma parte estendida da parte 231 de película metálica e o seu terminal de cátodo estando ligado a uma parte estendida da parte 234 de película metálica. De um modo semelhante, a célula 220 de fotodíodo inclui um pacote de montagem de lado frontal que facilita a montagem na parte 231 de película metálica, de tal modo que uma região de recepção de luz da célula 220 de fotodíodo fica localizada sobre a abertura 239.
De acordo com outra forma de realização alternativa, o colector 200-8 solar concentrador inclui um dissipador de calor que está montado numa superfície posterior da célula 220 de fotodíodo e inclui braços que se ligam às partes 231 e 234 de película metálica, facilitando, por este motivo, uma eficiente transferência de calor durante o funcionamento. Note-se que o dissipador 230 de calor também pode proporcionar, pelo menos, parte da ligação eléctrica da célula 220 de fotodíodo a, pelo menos, uma das partes 231 e 234 de película metálica (e. g., por ligação de um ânodo da célula 220 de fotodíodo à parte 234 de película metálica. Num método de produção alternativo, as células de fotodíodo e os díodos de passagem podem ser montados em estruturas de dissipação de calor especiais que proporcionam todas as ligações eléctricas às secções de película metálica de espelho primário quando montadas numa saliência associada, 18 facilitando, desse modo, um veiculo conveniente para testar as células de fotodiodo antes da montagem num conjunto. Noutra forma de realização alternativa (não mostrada), as células fotovoltaicas podem ser reentrantes no painel óptico e o dissipador de calor implementado com um substrato que atravessa ou se liga às secções de película metálica de espelho localizadas nos bordos da região reentrante.
De acordo com ainda outra forma de realização alternativa, uma estrutura 720 vedante (e. g., vidro ou plástico) é formada sobre o espelho 240 secundário de tal modo que o espelho 240 secundário fique vedado entre uma superfície 722 inferior de contorno (curvo) da estrutura vedante 720 e a superfície 217 côncava da parte 210-8 de painel óptico. Uma superfície 725 superior da estrutura 720 vedante é plana e coplanar com a superfície 215/315 superior da parte 210-8/painel 300 óptico. A estrutura 720 vedante serve para simplificar mais o processo de manutenção/limpeza ao proporcionar uma superfície completamente plana e também serve para proteger o espelho 240 secundário de corrosão devido à exposição ambiental. Embora não mostradas, uma camada vedante e/ou estrutura de reforço semelhantes podem ser proporcionadas no lado inferior do painel óptico para resistência acrescida e para proteger as películas de espelho primário.
As Fig. 8(A), 8(B) e 8(C) são vistas em perspectiva ilustrando as regiões centrais inferiores de um colector 200-9 solar concentrador exemplificativo durante um processo de produção de acordo com outra forma de realização da presente invenção. O colector 200-9 solar concentrador é essencialmente idêntico aos colectores 200-1 a 200-7 (discutidos anteriormente) com as características adicionais seguintes. 19
Fazendo referência à Fig. 8(A), as películas 231 e 234 metálicas são formadas, como descrito anteriormente, com partes 238A e 238B planas, respectivamente. Na presente forma de realização, a parte 238A plana da película 231 metálica está dotada de uma secção 804 saliente que define a abertura 239 e a parte 238B plana da película 234 metálica define uma região 808 reentrante que proporciona a necessária zona para a secção 804 saliente enquanto espaço 237 de separação entre bordos 233 e 236 interiores. Como indicado na Fig. 8(B), uma camada 810 dieléctrica (e. g. , uma máscara de solda) é, depois, formada sobre partes 238A e 238B planas das películas 231 e 234 metálicas (i. e., espaço 237 de ligação) e vias 820 e 825 são definidas através da camada 810 dieléctrica para expor as superfícies subjacentes das partes 238A e 238B planas. A camada dieléctrica pode ser aplicada por técnicas conhecidas, tais como impressão por jacto ou impressão a tela. Fazendo referência à Fig. 8(C), equipamento de recolha e colocação de alta velocidade é, depois, utilizado para colocar a célula 220 fotovoltaica e o díodo 225 de passagem de tal modo que solda esférica estendendo-se das superfícies inferiores dos pacotes (ou não encapsulados) associados é, respectivamente, posicionada sobre as vias associadas formadas na camada 810 dieléctrica. Depois, é realizado um processo de refluxo de solda para fixar a célula 220 fotovoltaica e o díodo 225 de passagem às partes 238A e 238B planas de película metálica. Como indicado pela colocação das vias 820, a ligação por solda esférica da célula 220 fotovoltaica aos bordos periféricos da secção 804 saliente (Fig. 8(B)), requerendo, por este motivo, uma ligação separada à película 234 metálica. Na forma de realização divulgada, esta ligação é efectuada por um processo de ligação por fio opcional para gerar uma ligação 815 por fio entre, por exemplo, um ânodo 20 ou cátodo da célula 220 fotovoltaica e parte 238B plana da película 234 metálica.
A Fig. 9 é uma vista em perspectiva de fundo, mostrando um conjunto 400B de colector solar concentrador produzido de acordo com outra forma de realização da presente invenção. O conjunto 400B inclui diversos colectores 200-11 a 200-14, 200-21 a 200-25 e 200-31 a 200-34 que estão dispostos em linhas paralelas, com os colectores 200-11 a 200-14 a formarem uma primeira linha, colectores 200-21 a 200-25 a formarem uma segunda linha e 200-31 a 200-34 a formarem uma terceira linha. Cada colector mostrado na Fig. 9 é substancialmente igual ao colector 200-9 mostrado na Fig. 8. Como discutido anteriormente, os segmentos de película metálica de cada colector estão electricamente acoplados por uma célula de fotodíodo associada e díodo de passagem opcional. Por exemplo, as películas 231-11 e 234-11 metálicas, que estão separadas pelo espaço 237-11, estão electricamente acopladas pela célula 220-11 de fotodíodo e díodo 225-11 de passagem do modo descrito anteriormente. Além disso, as películas metálicas de cada colector adjacente em cada linha estão ligadas para formarem um segmento de película metálica associada. Por exemplo, a película 234-11 metálica do colector 200-11 e a película 231-12 metálica do colector 200-12 estão ligadas ao longo da costura 901 para formarem um segmento 900-11 de película metálica em forma de meia ampulheta.
De um modo semelhante, a película 234-12 metálica do colector 200-12 e película 231-13 metálica do colector 200-13 estão ligadas ao longo de uma costura 901 associada, para formarem o segmento 900-12 de película metálica. Por este motivo, forma-se um trajecto condutor para a linha incluindo colectores 200-11 a 200-14 por intermédio de segmentos 900-11 a 900-14 de película metálica. De um modo semelhante, forma-se um trajecto condutor 21 para a linha incluindo colectores 200-21 a 200-25 por intermédio de segmentos 900-21 a 900-25 de película metálica e forma-se um trajecto condutor para a linha incluindo colectores 200-31 a 200-34 por intermédio de segmentos 900-31 a 900-34 de película metálica. O isolamento eléctrico entre segmentos de película metálica adjacentes (i. e., espaços 237), bem como o isolamento eléctrico entre linhas adjacentes de segmentos de película metálica, são proporcionados por gravação ou formação de espaços alongados entre as linhas associadas de segmentos de película metálica. Por exemplo, os segmentos 900-11 a 900-14 de película metálica estão separados dos segmentos 900-21 a 900-25 de película metálica por um espaço 937-12 alongado. De um modo semelhante, os segmentos 900-21 a 900-25 de película metálica estão separados dos segmentos 900-31 a 900-34 de película metálica por um espaço 937-34 alongado. De acordo com uma forma de realização, os segmentos 900-11 a 900-34 de película metálica consistem de uma camada de prata disposta por pulverização catódica no painel óptico. Depois, é formada uma máscara, por exemplo, utilizando técnicas de impressão a cera conhecidas. Pode ser empregue impressão em dois lados de modo a definir os dois lados da óptica. O painel óptico é, depois, imerso em um ou mais banhos de revestimento para formar a espessura metálica requerida para a cablagem. Numa forma de realização, camadas de cobre e níquel são formadas por electrodeposição na prata mas não revestem a máscara. O cobre necessitaria de possuir uma espessura na ordem de 1 micróne, de modo a servir como uma camada suficientemente condutora para limitar as perdas eléctricas a menos de 1% da energia convertida. Assim que o revestimento está completo, a máscara é removida e o revestimento de espelho metálico é gravado, utilizando o metal 22 revestido como uma máscara gravada. 0 objectivo é gravar o metal de espelho fora da abertura transparente (expondo um revestimento anti-reflector ai formado) no lado superior e a abertura até às aberturas 237 e 937 no lado inferior para formar os segmentos de película metálica necessários. 0 processo subsequente, e. g. , montar as célula fotovoltaicas, é, depois, realizado utilizando os métodos descritos anteriormente. A Fig. 10 é uma vista em planta mostrando uma unidade 400C de colector solar concentrador de acordo com outra forma de realização da presente invenção. A unidade 400C de colector solar concentrador inclui um painel 300C óptico formado do modo descrito anteriormente, uma estrutura 410 de suporte metálico (e. g., alumínio ou aço) para suporte e protecção do painel 300C óptico e um conector 420 de tomada para montagem da unidade 400C de colector numa rede de conjuntos de colector (não mostrada). O painel 300C óptico inclui diversas linhas de colectores solares concentradores que estão ligados, como descrito anteriormente, por segmentos 900-11 a 900-87 de película metálica. Segmentos 910-12, 910-23, 910-34, 910-45, 910-56, 910-67 e 910-78 de extremidade proporcionam ligações entre linhas adjacentes do modo indicado e segmentos 910-1 e 910-8 parciais são utilizados em associação com o segmento 910-81 de metalização para proporcionar ligações entre os colectores e o conector 420 de tomada. O padrão de segmento representado é muito simplificado e proporcionado apenas para fins ilustrativos e os especialistas na técnica reconhecerão que podem ser utilizados muitos padrões alternativos. Os círculos que separam cada adjacente incluem, por exemplo, as regiões dielétricas e componentes de circuito descritos anteriormente (e. g., célula 200-11 fotovoltaica é indicada entre segmentos 900-11 e 900-12). Embora todos os colectores representados na 23 unidade 400C estejam ligados numa única fiada em série que todas as oito linhas ligadas por segmentos de extremidade, compreende-se que duas ou mais fiadas em série podem ser formadas de um modo semelhante em cada unidade.
Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação a certas formas de realização especificas, será claro para os especialistas na técnica que as caracteristicas inventivas da presente invenção são também aplicáveis a outras formas de realização, destinando-se, todas, a cair no âmbito da presente invenção. Por exemplo, alguns aspectos benéficos da invenção podem ser alcançados numa disposição de duas placas, onde os espelhos secundários são formados numa primeira placa (frontal) e os espelhos primários são formados numa segunda placa (posterior) do modo descrito anteriormente. Embora uma tal disposição beneficiasse, por exemplo, da utilização das películas de espelho primário para proporcionar cablagem, tal disposição iria requerer o posicionamento de placas durante a montagem e aumentar os custos de manutenção. Numa outra forma de realização alternativa, os espelhos primário e secundário podem ser preformados e, depois, montados no elemento óptico utilizando um adesivo adequado, mas esta abordagem pode aumentar substancialmente os custos de produção. Ainda numa outra forma de realização alternativa, a superfície curva utilizada para formar o espelho secundário pode ser convexa em vez de côncava, possuindo, por este motivo, a forma de um sistema clássico do tipo Gregorian. Ainda noutra forma de realização alternativa, as superfícies curvas utilizadas para formar os espelhos primário e secundário podem ser elípticas, elipsoidais, esféricas ou outra forma curva.
Lisboa, 6 de Agosto de 2013 24

Claims (5)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Colector (100) solar concentrador compreendendo: um sólido integrado compreendendo: um elemento (110) óptico transparente à luz possuindo um primeiro lado incluindo uma superfície (112) convexa relativamente grande, uma região (113) central plana definida numa parte central da superfície convexa, um segundo lado incluindo uma superfície (115) de abertura substancialmente plana e uma superfície (117) côncava relativamente pequena definida numa parte central da superfície de abertura; um espelho (130) primário disposto na superfície convexa; e um espelho (140) secundário disposto na superfície côncava, em que o espelho primário e o espelho secundário compreendem películas de espelho reflector formadas directamente sobre a superfície convexa e a superfície côncava, respectivamente, de tal modo que o espelho primário e o espelho secundário definem um ponto focal num eixo óptico coincidente, de tal modo que um feixe de luz que se desloque substancialmente paralelo ao eixo óptico e dirigido através de uma região 1 selecionada da superfície de abertura é reflectido por uma região correspondente do espelho primário na direcção do espelho secundário e é novamente reflectido por uma região correspondente do espelho secundário para o ponto focal; e célula (120) fotovoltaica montada na região (113) central plana do elemento óptico e disposta no referido ponto focal.
  2. 2. Colector solar concentrador de acordo com a Reivindicação 1, em que o espelho primário e o espelho secundário compreendem materiais de espelho reflector idênticos.
  3. 3. Colector solar concentrador de acordo com a Reivindicação 1, em que o espelho primário define uma primeira superfície cónica e o espelho secundário define uma segunda superfície cónica, em que as, primeira e segunda, superfícies cónicas estão alinhadas de tal modo que um feixe de luz dirigido paralelamente ao eixo óptico sobre qualquer ponto da primeira superfície cónica é reflectido para um ponto correspondente da segunda superfície cónica, e do ponto correspondente para a região central.
  4. 4. Colector solar concentrador de acordo com a Reivindicação 1, em que a superfície convexa e a superfície côncava são substancialmente simétricas em torno do eixo óptico e a superfície de abertura é substancialmente perpendicular ao eixo óptico. 2
  5. 5. Conjunto de pluralidade com uma das colector solar concentrador compreendendo uma de colectores solares concentradores de acordo reivindicações anteriores. Lisboa, 6 de Agosto de 2013 3
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