WO2011051503A1 - Módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento - Google Patents

Módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento Download PDF

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WO2011051503A1
WO2011051503A1 PCT/ES2009/000516 ES2009000516W WO2011051503A1 WO 2011051503 A1 WO2011051503 A1 WO 2011051503A1 ES 2009000516 W ES2009000516 W ES 2009000516W WO 2011051503 A1 WO2011051503 A1 WO 2011051503A1
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photovoltaic
solar energy
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Joan Matamala Matalonga
Jaime Planas Giralt
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Joan Matamala Matalonga
Jaime Planas Giralt
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention refers to a high concentration photovoltaic module applicable to high performance solar energy installations, contributing to the function to which a series of advantages and innovative characteristics are intended, apart of others inherent to its organization and constitution, which will be described in detail later, which suppose an improved alternative to the systems currently known in the market for the same purpose.
  • the object of the invention is centered on a photovoltaic solar energy collection element, of the type designed to achieve a high concentration of the sun's rays multiplying its efficiency to be able to be applied in high-performance solar energy installations, the which, from an approximately cubic configuration similar to that of conventional concentrators already known in the market and equipped like them with a photovoltaic cell on which the sun's rays are concentrated by means of a Fresnel lens, has the peculiarity of incorporating a series of structural and constitutive innovations that allow to achieve important advantages that significantly reduce economic cost while substantially improving their performance, in particular allow the use in its support structure of much lighter and cheaper plastic materials, allow to reach higher levels of dissipation of heat without increasing Its size, and therefore allow a greater degree of solar concentration, and optionally allow the use of alternative light concentrating elements to the Fresnel lens that expand its commercial or industrial application possibilities.
  • the field of application of the present invention is part of the technical sector of solar energy, specifically in the field of industry dedicated to the manufacture of devices and devices for high concentration photovoltaic solar capture applicable in facilities and generation systems of electrical energy from solar radiation.
  • said facilities have, in replacement of the solar panels, with modules, generally of cubic configuration instead of flat, in which, through an upper lens, the solar rays to one or more photovoltaic cells located in its background.
  • modules generally of cubic configuration instead of flat, in which, through an upper lens, the solar rays to one or more photovoltaic cells located in its background.
  • Logically, to achieve the correct uptake of solar rays on the lens should always have a two-axis solar tracking system that ensures an optimal incidence of light on them, otherwise they would be totally ineffective.
  • the aforementioned elements that make up the module are supported on a supporting structure or casing which, at the same time, has to act as a heat sink, given the described concentration that is sought and that supposes a considerable increase of concentrated heat on it, for which this casing is usually made of good heat conducting materials, such as aluminum, making the assembly of considerable weight and high economic cost.
  • this casing is usually made of good heat conducting materials, such as aluminum, making the assembly of considerable weight and high economic cost.
  • the thickness of the aluminum housing to adequately fulfill its function as a heat sink must have a certain thickness as well as that aluminum is a relatively expensive material. This fact makes the size of the modules and their ability to concentrate solar rays limited so as not to make it excessively heavy and expensive and to achieve a sufficient heat dissipation.
  • ES 2267382 (SOL3G, SL), relating to a "sub-module for photovoltaic concentration modules, photovoltaic concentration module, solar energy installation, packaging method and position calibration procedure for photovoltaic concentration modules", wherein the concentration submodule, comprising Fresnel lenses and secondary lenses as concentrators, is formed by a U-shaped laminar body made of aluminum on which the photovoltaic cells are fixed and which acts as support structure and dissipating element of heat.
  • concentration submodule comprising Fresnel lenses and secondary lenses as concentrators
  • ES 2229950 SOLAR SYSTEMS TECHNOLOGY INC.
  • a solar energy module or solar energy converter comprising a housing, an optical concentrator in the form of a Fresnel lens, and a photovoltaic cell in which the housing is made of aluminum and that, between its bottom and side walls and also has a U shape, and closes with ends separated forming the module, and on which there is a grid with Fresnel lenses, existing at the bottom photovoltaic cells in stacking on an electrical insulator and a heat sink, being connected to a positive contact and a negative contact, with the particularity in this case that it does not incorporate any secondary optical element or reflective device associated with the cell, since the distance between the lens and the cell is smaller than the focal distance.
  • the housing that acts as a support for the solar concentrator is made of aluminum since it has to act as an element heat sink, it must be remembered that with this system of heat dissipation through the housing there is a direct relationship between the degree of concentration of solar rays, the size of the surface of the photovoltaic device and the cost that implies the need to dissipate more heat in an increasingly smaller area, the objective of the new module here advocated to solve said drawbacks in a practical, simple and efficient way, achieving to increase the concentration without expanding the dimensions of the module and, advantageously, allowing to reduce its manufacturing cost as well as to lighten His weight.
  • the high-concentration photovoltaic module applicable to high-performance solar power installations proposed by the invention constitutes an obvious novelty within its field of application, since, according to its implementation, and exhaustively, they are satisfactorily achieved.
  • the aforementioned objectives being the characterizing details that make it possible and that distinguish it from the systems already known, widely developed and described below as well as conveniently collected in the final claims that accompany the present report.
  • the high-voltage photovoltaic module concentration that the present invention proposes and that, as it has been said is specially destined to be applied in installations dedicated to the production of electrical energy from the use of solar energy with a high performance; it is essentially based on achieving a high concentration of solar rays on a photovoltaic cell to multiply its efficiency for which, it comprises, in a conventional manner, the following elements:
  • main optical ray concentrator which preferably consists of a Fresnel lens, - a photovoltaic cell conveniently connected to the installation, by means of the corresponding electrical elements, and suitably fixed and electrically insulated to the support structure.
  • the proposed module incorporates, in a characterizing way:
  • a specific heat sink of the type consisting of an aluminum body with multiple fins or rods arranged so that occupying a minimum volume has a large contact surface with the air to dissipate the heat, which is conveniently arranged in contact with the cell,
  • a protective element for example in the shape of a cone, which, constituted by a thin film of material highly conductive of heat, is configured in the form of an inverted cone covering the space between the main optical concentrator and a secondary optical element provided on the cell, serving to protect the support structure or housing of the high temperatures that may reach the achieved solar concentration.
  • - and said secondary optical element consisting of a hollow part, open at both ends, of highly reflective material, preferably with more than 90% reflection, which, located at the end of the protective cone and in contact with the photovoltaic cell, collects the concentrated rays expanding the concentration area, increasing the tolerance of the system.
  • the incorporation of the heat sink of the type indicated allows to achieve a very effective heat dissipation, which allows to increase the solar concentration capacity of the module, being able to reach concentrations of more than 1000 soles (area of the Fresnel lens). divided by the area of the cell), allowing to greatly increase the performance of each module.
  • concentrations of more than 1000 soles area of the Fresnel lens divided by the area of the cell.
  • thermodynamics refers to the transfer of heat from the part that is heated to be dissipated into the air, which is carried out by increasing the contact surface with the air.
  • Each dissipator has a specific dissipation coefficient that is calculated from the following formula:
  • R d - a is the specific dissipation coefficient of each dissipator (° C / W).
  • Td is the temperature of the heatsink (° C).
  • T a is the ambient temperature (° C).
  • the dissipator used which will be, as has been said, of the type constituted by an aluminum body with multiple fins or rods, arranged occupying a minimum volume and a large contact surface with air, will preferably have at least one R greater than 1 (more than 100 100W) with a volume less than 10x10x5 cm, and more preferably, a next R 3 (300 ° / 100W) with a volume of 10x10x4cm being cell 10x10mm lens and minimum 1000cm 2 (1000x concentration).
  • the preferred type of dissipator in the case of a finned dissipater, can be distinguished based on its fin ratio, which is equivalent to the width of the spacing between fins divided by the height of the fins, which may be greater than 1. : 5, taking into account that a ratio of up to 1: 10 is considered a standard section of heat sink and a ratio of 1: 10 is considered a section of high fin ratio.
  • the support structure or housing can be made in any material, since it is not it that acts as heat dissipating element, as had been the case in the systems known up to now, in which, obligatorily, at least the base of said casing should be made of heat conducting material, generally aluminum, and have minimum thicknesses with a proportion of around 3mm . for 1cm 2 cells.
  • This advantage is important since, being able to manufacture the housing in non-conductive materials, it can be advantageously made of plastic material that is enormously more economical than aluminum or any other metallic material and, in addition, it is much lighter, which allows, at the same time, reduce transport and manufacturing costs, as well as allow the simplification of the support elements of the installation, since they will not have to support the same weight and, also, this fact expand the range of possibilities of location of such facilities, not being restricted by weight issues, can be located, for example, on roofs of buildings, industrial buildings or other sites.
  • the incorporation of the described element protector allows to protect, as said, the structure or housing, especially because now it may be made of plastic material.
  • the secondary optical element or piece of highly reflective material allows to collect the focal concentration point of the main lens, thus expanding the solar concentration zone thus avoiding the need for a greater degree of precision in the tracker that guides the module or, what is the same, achieving the same performance in a wider range of solar incidence.
  • the protective cone in an alternative variant of the invention, may also be made with highly reflective material or total internal reflection, such as optical fiber, thus working on its entire internal surface as a main optical concentrator, so that you can avoid the incorporation of a Fresnel lens as a concentrator and replace it, if necessary, simply by a transparent cover that serves as protection against the eventual fall of foreign elements inside.
  • the support structure or housing can present any structural configuration or shape, with the only condition that it constitutes the support element for the rest of the elements that make up the module, which may therefore consist, for example, of a cubic, cylindrical or other structure and of flat walls or of rods or support grid, etc.
  • Another advantage derived from the innovative configuration of the module is the fact that it allows, optionally, the incorporation of a cooling circuit by refrigerant fluid, converting the module into a photovoltaic / thermal module with heat utilization for DHW (sanitary hot water) or other uses, obtaining greater energy efficiency, and differentiating itself from other systems in which a cutoff of water circulation will not cause damage to the cell .
  • DHW sanitary hot water
  • the described high concentration photovoltaic module applicable to high-performance solar power installations represents, therefore, an innovative structure of structural and constitutive characteristics unknown until now for this purpose, reasons that, together with its practical utility, provide it with a sufficient foundation to obtain the exclusive privilege that is requested.
  • Figure number 1 shows a sectional view, according to a vertical section of a schematic representation of an embodiment of the high concentration photovoltaic module applicable to high performance solar energy installations, according to the object of the invention, in the that the main parts and elements that it understands as well as the configuration and disposition of each one of them are appreciated.
  • Figure 2 - Shows a perspective view, partially sectioned of the example of module, according to the invention, shown in Figure 1.
  • Figure 3 shows a perspective view of another alternative embodiment of the invention, in this case without a Fresnel lens as the main optical concentrator and with a support structure or a grid-like housing.
  • Figure number 6 shows a schematic representation of an example of the module that incorporates a fluid cooling system embedded in the heat sink.
  • the module (1) in question is configured essentially from a support structure or casing (2) to which the other elements are attached at the convenient operating distance, comprising an optical concentrator main (3) which, preferably, consists of a Fresnel lens located in its upper part, and a photovoltaic cell (5) which, conveniently connected to the installation by means of the corresponding electrical elements, is arranged facing the main optic on the opposite side of the module, incorporating on it a secondary optical element (4), formed by a hollow part opened at its upper and lower end, of reflective material, specifically with more than 90% reflection, to collect the beam Concentrated and multiplied light that, in addition to increasing the degree of concentration, protects the photovoltaic cell (5), preventing it from being damaged.
  • an optical concentrator main (3) which, preferably, consists of a Fresnel lens located in its upper part
  • a photovoltaic cell (5) which, conveniently connected to the installation by means of the corresponding electrical elements, is arranged facing the main optic on the opposite side of the module, incorporating on it
  • the photovoltaic cell (5) is of a suitable type to withstand the heat concentration requirements to which it is destined and therefore not of silicon, preferably being a triple or multiple union cell ("junction") and will have, approximately a conventional size of 10x10 mm, being fixed and electrically isolated to the support structure (2) by some suitable fixing system, such as an adherent substance (6) having a good heat conducting component, for example a synthetic substance with silver particles that present a very high heat dissipation, in order to prevent the cell (5) from being burnt or damaged, since the proposed module is designed to reach very high concentration levels, of the order of 1x 1000, being generated , therefore, high temperatures.
  • a suitable fixing system such as an adherent substance (6) having a good heat conducting component, for example a synthetic substance with silver particles that present a very high heat dissipation
  • R d . a is the specific dissipation coefficient of each dissipator (° C / W).
  • T d is the temperature of the heatsink (° C).
  • T a is the ambient temperature (° C).
  • P is the energy dissipated per unit of time (W).
  • the support structure or casing (2) can be made of plastic material, thereby greatly reducing the manufacturing cost of the module as well. how to lighten your weight Following the invention, it should be noted that between the main optical concentrator (3) and the secondary optical element (4) there is contemplated the existence of a protective element (8), for example in the form of a cone, which is constituted by a thin film. , for example of aluminum, or of another material highly heat-conducting and preferably reflective, being intended to protect the support structure or casing (2), since as indicated, it will preferably be made of plastic material.
  • the focal concentration point (f) can be collected in a larger radius, as shown in figures 4 and 5, thus expanding the solar concentration zone also avoiding the need for a greater degree of precision in the follower that guides the module or, which is the same, achieving the same performance in a wider range of solar incidence.
  • This secondary optical element (4) which as mentioned above increases the degree of concentration and protects the photovoltaic cell (5), by extending said focal concentration radius, also, allows the distance between the main optical concentrator (3) and the cell (5) may be larger than the focal length (d) of concentration.
  • the secondary optical element (4) can incorporate directly attached to it, the heat sink (7), as shown in Figure 1.
  • the described protective element (8) is made entirely of a highly reflective material or total internal reflection, avoiding the incorporation of a Fresnel lens as main optical concentrator (3), since the protective element (8) itself works on its entire internal surface as an optical concentrator.
  • a transparent cover (9) that serves as protection against the eventual fall of foreign elements in its interior is contemplated.
  • the support structure or casing (2) since it does not act as a heat sink but only as a support element for the rest of the elements that make up the module (1), can present any structural configuration or shape, being able to consist, for example, of a cubic, cylindrical or other structure and of flat or curved walls, such as that shown in FIGS. 1 and 2 or a configuration based on rods or grid that acts as a support, such as that shown in FIG. 3, and may even lack it completely, for example in the case that the protective cone is configure as an optical concentrator and the incorporation of the Fresnel lens is avoided.
  • the module (1) admits the incorporation of a fluid cooling circuit (10) embedded in the heat sink (7), converting the module into a photovoltaic / thermal module with use of heat for ACS and other uses, obtaining greater energy efficiency, and differentiating itself from other systems in which a cutoff of the circulation of the refrigerant fluid will not cause damage to the cell (5).

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Abstract

Módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento, que comprende una estructura de soporte o carcasa (2) de configuración variable y material plástico, concentrador óptico principal (3), elemento óptico secundario (4) de material reflectante y célula fotovoltaica (5) de alta capacidad, con disipador de calor (7) de aluminio con múltiples aletas o varillas (7a), dispuesto bajo la célula fotovoltaica (5) y en contacto con una sustancia adherente (6) buen conductor de calor, y un elemento protector (8) constituido por una fina película conductora del calor y reflectante. El disipador de calor (7), tomando como referencia la relación: Rd - a=(Td-Ta)/P tiene un R próximo a 3 (300°/100W) con un volumen de 10x10x4cm., y cuando cuenta con aletas (7a), tiene un ratio de aleta, ancho del espaciado entre aletas dividido por la altura, superior a 1:5.

Description

MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE
PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO
RENDIMIENTO D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento, aportando a la función a que se destina una serie de ventajas e innovadoras características, aparte de otras inherentes a su organización y constitución, que se describirán en detalle más adelante, que suponen una mejorada alternativa a los sistemas actualmente conocidos en el mercado para el mismo fin.
Más en particular, el objeto de la invención se centra en un elemento de captación de energía solar fotovoltaico, del tipo destinado a conseguir una alta concentración de los rayos solares multiplicando su eficacia para poder ser aplicado en instalaciones de energía solar de alto rendimiento, el cual, a partir de una configuración aproximadamente cúbica similar a la de los concentradores convencionales ya conocidos en el mercado y dotado al igual que ellos de una célula fotovoltaica sobre la que mediante una lente Fresnel se concentran los rayos solares, presenta la particularidad de incorporar una serie de innovaciones estructurales y constitutivas que permiten conseguir importantes ventajas que reducen significativamente coste económico a la vez que mejoran sustancialmente su rendimiento, en concreto permiten la utilización en su estructura de soporte de materiales plásticos mucho más ligeros y económicos, permiten alcanzar mayores cotas de disipación de calor sin aumentar su tamaño, y por tanto permiten un mayor grado de concentración solar, y permiten, opcionalmente, la utilización de elementos concentradores de luz alternativos a la lente Fresnel que amplían sus posibilidades comerciales o de aplicación industrial. CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector técnico de la energía solar, concretamente en el ámbito de la industria dedicada a la fabricación de aparatos y dispositivos para la captación solar fotovoltaica de alta concentración aplicables en instalaciones y sistemas de generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Como es sabido, los sistemas de captación solar fotovoltaicos de alta concentración persiguen, mediante la utilización de elementos de alta precisión, la reducción del espacio necesario para la captación solar, a la vez que incrementar su rendimiento de forma exponencial respecto a los sistemas de paneles convencionales. Dichos elementos de alta precisión, sin embargo, suelen ser de alto coste económico, con lo que las instalaciones de alto rendimiento de este tipo requieren de grandes inversiones que siempre es deseable poder reducir y mejorar.
Así, para conseguir la citada mayor concentración de los rayos solares, dichas instalaciones cuentan, en sustitución de las placas solares, con unos módulos, generalmente de configuración cúbica en lugar de plana, en los que a través de una lente superior, se dirigen los rayos solares a una o más células fotovoltaicas situadas en su fondo. Lógicamente, para conseguir la correcta captación de los rayos solares sobre la lente siempre deberán contar con un sistema de seguimiento solar a dos ejes que procure una óptima incidencia de la luz sobre ellos, ya que en caso contrario resultarían totalmente ineficaces.
Para ello, los citados elementos que conforman el módulo se soportan sobre una estructura portante o carcasa que, a la vez, ha de actuar como disipador de calor, dada la descrita concentración que se busca y que supone un aumento considerable de calor concentrado sobre él, por lo cual esta carcasa suele estar realizada en materiales buenos conductores de calor, tal como aluminio, haciendo que el conjunto sea de notable peso y elevado coste económico. Debe tenerse en cuenta que el grosor de la carcasa de aluminio, para cumplir adecuadamente su función como disipador de calor debe tener un cierto grosor así como que el aluminio es un material relativamente costoso. Este hecho hace que el tamaño de los módulos y su capacidad de concentración de rayos solares se vean limitados para no hacerlo excesivamente pesado y caro y para conseguir una suficiente disipación de calor.
En la actualidad, y como referencia al estado de la técnica, debe señalarse que el solicitante tiene conocimiento de la existencia de diversos documentos relacionados con el tema que aquí concierne, en los que se describen algunos dispositivos, módulos o submódulos solares similares al propuesto en la presente invención, ninguno de los cuales, sin embargo, presenta las mismas o equivalentes características técnicas, estructurales y constitutivas que le otorgan las particulares ventajas antedichas que lo distinguen. Entre tales documentos, cabe citar como más relevantes los siguientes:
- La patente de invención ES 2267382 (SOL3G,S.L), relativa a un "submódulo para módulos de concentración fotovoltaica, módulo de concentración fotovoltaica, instalación de energía solar, método de empaquetado y procedimiento de calibración de posición para módulos de concentración fotovoltaica", en la que el submódulo de concentración, que comprende como concentradores lentes de Fresnel y lentes secundarias, está formado por un cuerpo laminar en forma de U hecho de aluminio sobre el que se fija las células fotovoltaicas y que actúa como estructura de soporte y elemento disipador de calor.
- La patente de invención ES 2229950 (SOLAR SYSTEMS TECHNOLOGY INC.), relativa a un "módulo de energía solar" o convertidor de energía solar que comprende una carcasa, un concentrador óptico en forma de lente Fresnel, y una célula fotovoltaica en la que la carcasa está fabricada de aluminio y que, entre su fondo y paredes laterales y también tiene forma de U, y se cierra con extremos separados formando el módulo, y sobre la que existe una rejilla con lentes Fresnel, existiendo en su fondo células fotovoltaicas en apilamiento sobre un aislante eléctrico y un sumidero de calor, estando conectada a un contacto positivo y a otro negativo, con la particularidad en este caso de que no incorpora ningún elemento óptico secundario o dispositivo reflexivo asociado a la célula, dado que la distancia entre la lente y la célula es menor que la distancia focal.
Se constata, pues, que en dichos casos, así como en otros no reflejados en la lista anterior, la carcasa que actúa de soporte para el concentrador solar, ya sea de forma individual o agrupada está hecha de aluminio puesto que ha de actuar como elemento disipador de calor, debiendo recordarse que con dicho sistema de disipación del calor a través de la carcasa existe una relación directa entre el grado de concentración rayos solares, la dimensión de la superficie del dispositivo fotovoltaico y el coste que implica la necesidad de disipar más calor en una superficie cada vez más reducida, siendo el objetivo del nuevo módulo aquí preconizado solventar dichos inconvenientes de forma práctica, simple y eficaz, consiguiendo aumentar la concentración sin ampliar las dimensiones del módulo y, ventajosamente, permitiendo reducir su coste de fabricación así como aligerar su peso.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Así, el módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento que la invención propone, constituye una evidente novedad dentro de su campo de aplicación, ya que, a tenor de su implementación, y de forma taxativa, se alcanzan satisfactoriamente los objetivos anteriormente señalados, estando los detalles caracterizadores que lo hacen posible y que lo distinguen de los sistemas ya conocidos, ampliamente desarrollados y descritos a continuación así como convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente memoria.
De forma concreta, el módulo fotovoltaico de alta concentración que la presente invención propone y que, como se ha dicho está especialmente destinado para ser aplicado en instalaciones dedicadas a la producción de energía eléctrica a partir del aprovechamiento de la energía solar con un alto rendimiento; se basa esencialmente en conseguir una alta concentración de los rayos solares sobre una célula fotovoltaica para multiplicar su eficacia para lo cual, comprende, de forma convencional, los siguientes elementos:
- una estructura de soporte o carcasa a la que se acoplan los demás elementos a la distancia operativa conveniente,
- un concentrador óptico de rayos principal que, preferentemente, consiste en una lente Fresnel, - una célula fotovoltaica convenientemente conectada a la instalación, mediante los elementos eléctricos correspondientes, y adecuadamente fijada y aislada eléctricamente a la estructura de soporte.
Además de dichos elementos incorporados de forma conocida en los concentradores ya existentes en el mercado, el módulo preconizado incorpora, de forma caracterizadora:
- un disipador de calor específico, del tipo constituido por un cuerpo de aluminio con múltiples aletas o varillas dispuestas de forma que ocupando un mínimo volumen cuenta con una gran superficie de contacto con el aire para disipar el calor, el cual se halla convenientemente dispuesto en contacto con la célula,
- un elemento protector, por ejemplo en forma de cono, que, constituido por una fina película de material altamente conductor del calor, está configurado en forma de cono invertido abarcando el espacio existente entre el concentrador óptico principal y un elemento óptico secundario previsto sobre la célula, sirviendo para proteger la estructura de soporte o carcasa de las elevadas temperaturas que podrá llegar a alcanzar la concentración solar conseguida. - y el citado elemento óptico secundario que consiste una pieza hueca, abierta por sus dos extremos, de material altamente reflectante, preferentemente con más del 90% de reflexión que, situada al final del cono protector y en contacto con la célula fotovoltaica, recoge los rayos concentrados ampliando la zona de concentración, aumentando la tolerancia del sistema.
La incorporación de estos tres elementos al módulo, aportan importantes ventajas que permiten modificar la configuración y constitución del mismo para reducir su coste de fabricación y mejorar su rendimiento las cuales se describen a continuación:
- En primer lugar, la incorporación del disipador de calor del tipo señalado permite conseguir una disipación de calor muy efectiva, lo cual permite aumentar la capacidad de concentración solar del módulo, pudiendo llegarse a concentraciones de más de 1000 soles (área de la lente Fresnel dividida por el área de la célula), permitiendo aumentar en gran medida los rendimientos de cada módulo. Conviene recordar aquí que el funcionamiento de un disipador se debe a la segunda ley de termodinámica, la cual refiere que la transferencia del calor de la parte que se calienta ha de ser disipada al aire, lo cual se lleva a cabo aumentando la superficie de contacto con el aire. Cada disipador tiene un coeficiente de disipación específico que se calcula a partir de la siguiente fórmula:
Rd - a=(Td-Ta)/P Donde:
Rd - a es el coeficiente de disipación específico de cada disipador (°C/W). Td es la temperatura del disipador (°C).
Ta es la temperatura ambiental (°C).
P es la energía disipada por unidad de tiempo (W). En base a ello, el disipador utilizado, que será, como se ha dicho, del tipo constituido por un cuerpo de aluminio con múltiples aletas o varillas, dispuestas ocupando un mínimo volumen y una gran superficie de contacto con el aire, tendrá, preferentemente, al menos, un R superior a 1 (mas de 100 100W) con un volumen inferior a 10x10x5 cm, y más preferentemente, un R próximo a 3 (300°/100W) con un volumen de 10x10x4cm, siendo la célula de 10x10mm y la lente de mínimo 1000cm2 (concentración 1000x).
Igualmente, el tipo de disipador preferido, cuando se trate de un disipador con aletas, se podrá distinguir en base a su ratio de aleta que equivale al ancho del espaciado entre aletas dividido por la altura de las mismas, el cual podrá ser superior a 1 :5, teniendo en cuenta que un ratio de hasta 1 :10 se considera una sección estándar de Disipador de calor y un ratio sobre 1 :10 se considera una sección de alto ratio de aleta. Siguiendo con las ventajas que supone la incorporación de dicho tipo de disipador, y más importante aún, es el hecho de que, gracias él, la estructura de soporte o carcasa puede estar realizada en cualquier material, ya que no es ella la que actúa como elemento disipador de calor, tal como venía ocurriendo en los sistemas conocidos hasta ahora, en que obligatoriamente, al menos la base de dicha carcasa debía ser de material conductor del calor, generalmente aluminio, y tener unos grosores mínimos con una proporción de alrededor de 3mm. para células de 1cm2.
Esta ventaja es importante dado que, al poder fabricar la carcasa en materiales no conductores, puede estar hecha ventajosamente de material plástico que es enormemente más económico que el aluminio o cualquier otro material metálico y, además, es mucho más ligero, lo cual permite, a la vez, reducir costes de transporte y fabricación, así como permitir la simplificación de los elementos de soporte de la instalación, ya que no deberán soportar el mismo peso y, también, este hecho ampliar el abanico de posibilidades de ubicación de tales instalaciones, al no verse restringidas por cuestiones de peso, pudiendo ubicarse, por ejemplo, sobre tejados de edificios, naves industriales u otros emplazamientos.
- En segundo lugar, la incorporación del descrito elemento protector, permite proteger, como se ha dicho, la estructura o carcasa, especialmente porque ahora ésta podrá ser de material plástico.
- Por su parte, el elemento óptico secundario o pieza de material altamente reflectante, permite recoger el punto de concentración focal de la lente principal, ampliando así la zona de concentración solar evitando así la necesidad de un grado mayor de precisión en el seguidor que guía el módulo o, lo que es lo mismo, consiguiendo el mismo rendimiento en un abanico más amplio de incidencia solar.
Por otra parte, el cono protector, en una variante alternativa de la invención, podrá estar realizado también con material altamente reflectante o de reflexión interna total, como por ejemplo de fibra óptica, trabajando así en toda su superficie interna como concentrador óptico principal, de manera que se puede evitar la incorporación de una lente Fresnel como concentrador y sustituirla, en caso necesario, simplemente por una cobertura transparente que sirva de protección ante la eventual caída de elementos extraños en su interior. - Una ventaja añadida consecuencia de la innovadora constitución y configuración del módulo según la invención, viene dada por el hecho de que la estructura de soporte o carcasa podrá presentar cualquier configuración estructural o forma, con la única condición de que constituya el elemento de soporte para el resto de elementos que integran el módulo, pudiendo consistir por tanto, por ejemplo, en una estructura cúbica, cilindrica o de otra forma y de paredes planas o de varillas o rejilla de soporte, etc.
Del mismo modo, dicha ventaja en la configuración y material de la estructura de soporte del módulo permite que éste pueda alcanzar mayores tamaños, ya que su coste y peso no suponen una limitación importante.
- Finalmente otra ventaja derivada de la configuración innovadora del módulo es el hecho de que permite, opcionalmente, la incorporación de un circuito de refrigeración por fluido refrigerante, convirtiéndose el módulo en módulo fotovoltaico/térmico con aprovechamiento del calor para ACS (agua caliente sanitaria) u otros usos, obteniendo mayor rentabilidad energética, y diferenciándose de otros sistemas en que un corte de suministro de la circulación del agua no provocará daños en la célula.
En relación a los citados otros usos que admite la incorporación del circuito refrigerante, cabe destacar que éstos pueden ser la obtención de agua potable por destilación.
El descrito módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento representa, por consiguiente, una estructura innovadora de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura número 1.- Muestra una vista en sección, según un corte vertical de una representación esquematizada de un ejemplo de realización del módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento, según el objeto de la invención, en la que se aprecian las principales partes y elementos que comprende así como la configuración y disposición de cada uno de ellos.
La figura número 2 - Muestra una vista en perspectiva, parcialmente seccionada del ejemplo de módulo, según la invención, mostrado en la figura 1. La figura número 3.- Muestra una vista en perspectiva de otro ejemplo de realización alternativa de la invención, en este caso sin lente Fresnel como concentrador óptico principal y con una estructura de soporte o carcasa de tipo enrejillado.
Las figuras número 4 y 5.- Muestran sendos esquemas de distintas incidencias del foco de concentración sobre la célula.
La figura número 6.- Muestra una representación esquemática de un ejemplo del módulo que incorpora sistema de refrigeración por fluido embebido en el disipador de calor.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de la mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede apreciar en ellas sendos ejemplos de realización del módulo fotovoltaico de alta concentración aplicable para instalaciones de energía solar de alto rendimiento objeto de la invención, el cual comprende las partes y elementos que se describen en detalle a continuación, habiéndose referenciado cada una de dichas partes y elementos de la siguiente forma:
1. módulo fotovoltaico
2. estructura de soporte o carcasa
3. concentrador óptico principal
4. elemento óptico secundario
5. célula fotovoltaica
6. resina sintética de fijación
7. disipador de calor, 7a aletas o varillas
8. elemento protector
9. cobertura transparente
10. circuito de refrigeración por fluido
f. punto de concentración focal
d. distancia focal Así, tal como se observa en dichas figuras, el módulo (1 ) en cuestión se configura esencialmente a partir de una estructura de soporte o carcasa (2) a la que se acoplan los demás elementos a la distancia operativa conveniente, comprendiendo un concentrador óptico principal (3) que, preferentemente, consiste en una lente Fresnel situada en su parte superior, y una célula fotovoltaica (5) que, convenientemente conectada a la instalación mediante los elementos eléctricos correspondientes, está dispuesta enfrentada a la óptica principal en el lado opuesto del módulo, habiéndose previsto la incorporación sobre ella de un elemento óptico secundario (4), formado por una pieza hueca abierta por su extremo superior e inferior, de material reflectante, concretamente con más de un 90 % de reflexión, para recoger el haz de luz concentrado y multiplicado que, además de aumentar el grado de concentración, protege la célula fotovoltaica (5) evitando que pudiera llegar a dañarse.
Es importante señalar que la célula fotovoltaica (5) es de tipo adecuado para soportar las exigencias de concentración de calor a que se destina y por tanto no de silicio, siendo preferentemente una célula de triple o múltiple unión ("junction") y tendrá, aproximadamente un tamaño convencional de 10x10 mm, estando fijada y aislada eléctricamente a la estructura de soporte (2) mediante algún sistema de fijación adecuado, tal como una sustancia adherente (6) que posea un componente buen conductor de calor, por ejemplo una sustancia sintética con partículas de plata que presentan una altísima disipación de calor, en orden a evitar que la célula (5) se queme o se dañe, ya que el módulo propuesto está diseñado para alcanzar niveles de concentración muy altos, del orden de 1x 1000, generándose, por tanto, altas temperaturas. Ello es posible gracias a que, bajo la célula fotovoltaica (5) y en contacto con la citada sustancia adherente (6) se ha previsto la incorporación de un disipador de calor (7), el cual es del tipo constituido por un cuerpo de aluminio con múltiples aletas o varillas (7a) capaz de disipar grandes cantidades de calor con un reducido volumen.
En concreto y preferentemente el disipador de calor (7), tomando como referencia la relación
Figure imgf000014_0001
donde:
Rd . a es el coeficiente de disipación específico de cada disipador (°C/W).
Td es la temperatura del disipador (°C).
Ta es la temperatura ambiental (°C).
P es la energía disipada por unidad de tiempo (W).
con una célula de 10x10mm y la lente de mínimo 1000cm2 (concentración 1000x), tendrá, al menos, un R superior a 1 (mas de 100°/100W) con un volumen inferior a 10x10x5 cm, y más preferentemente, un R próximo a 3 (300°/100W) con un volumen de 10x10x4cm, y en todo caso, cuando se trate de un disipador con aletas, tendrá un ratio de aleta, que equivale al ancho del espaciado entre aletas dividido por la altura de las mismas, superior a 1 :5. Debido a la descrita incorporación del disipador de calor (7) con aletas o varillas (7a), la estructura de soporte o carcasa (2) puede estar realizada en material plástico, consiguiéndose con ello reducir en gran medida el coste de fabricación del módulo así como aligerar su peso. Siguiendo con la invención, cabe destacar que entre el concentrador óptico principal (3) y el elemento óptico secundario (4) se contempla la existencia de un elemento protector (8), por ejemplo en forma de cono, que está constituido por una fina película, por ejemplo de aluminio, o de otro material altamente conductor del calor y preferentemente reflectante, estando destinado para proteger la estructura de soporte o carcasa (2), ya que como se ha señalado será preferentemente de material plástico.
Por su parte, gracias a la reflexión del citado elemento óptico reflectante (4), el punto de concentración focal (f) se podrá recoger en un radio mayor, tal como se observa en las figuras 4 y 5, ampliando así la zona de concentración solar evitando además la necesidad de un grado mayor de precisión en el seguidor que guía el módulo o, lo que es lo mismo, consiguiendo el mismo rendimiento en un abanico más amplio de incidencia solar.
Este elemento óptico secundario (4), que como se ha dicho aumenta el grado de concentración y protege la célula fotovoltaica (5), al ampliar dicho radio de concentración focal, además, permite que la distancia entre el concentrador óptico principal (3) y la célula (5) pueda ser mayor que la distancia focal (d) de concentración.
Adicional u opcionalmente, el elemento óptico secundario (4) puede incorporar directamente adosado a él, el disipador de calor (7), tal como se ha representado en la figura 1.
Por otra parte, en una variante alternativa de la invención, tal como muestra la figura 3, el descrito elemento protector (8) está realizado en su totalidad con un material altamente reflectante o de reflexión interna total, evitándose la incorporación de una lente Fresnel como concentrador óptico principal (3), ya que el propio elemento protector (8) trabaja en toda su superficie interna como concentrador óptico.
En este caso, opcionalmente, se contempla la incorporación de una cobertura transparente (9) que sirva de protección ante la eventual caída de elementos extraños en su interior.
Cabe señalar también que la estructura de soporte o carcasa (2), dado que no actúa como disipador de calor sino únicamente como elemento de soporte para el resto de elementos que integran el módulo (1), puede presentar cualquier configuración estructural o forma, pudiendo consistir, por ejemplo en una estructura cúbica, cilindrica o de otra forma y de paredes planas o curvas, tal como la representada en las figuras 1 y 2 o una configuración a base de varillas o enrejillada que hace de soporte, tal como la representada en la figura 3, pudiendo, incluso, carecer totalmente de ella, por ejemplo en el caso de que el cono protector se configure como concentrador óptico y se evita la incorporación de la lente Fresnel.
Finalmente, tal como se aprecia en la figura 6, opcionalmente, el módulo (1) admite la incorporación de un circuito de refrigeración por fluido (10) embebido en el disipador de calor (7), convirtiéndose el módulo en módulo fotovoltaico/térmico con aprovechamiento del calor para ACS y otros usos, obteniendo mayor rentabilidad energética, y diferenciándose de otros sistemas en que un corte de suministro de la circulación del fluido refrigerante no provocará daños en la célula (5).
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de las indicadas a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, del tipo que dirigido mediante un seguidor solar de dos ejes está basado en la concentración de los rayos solares a través de un concentrador óptico principal (3), tal como una lente Fresnel, para hacerlos incidir concentrados sobre una célula fotovoltaica (5), estando el conjunto incorporado en una estructura de soporte o carcasa (2) que los fija a la distancia operativa conveniente caracterizado por el hecho de comprender:
- además de una estructura de soporte o carcasa (2) que es de configuración variable y, preferentemente, de material plástico, un concentrador óptico principal (3) que adopta distintas constituciones y una célula fotovoltaica (5) de alta capacidad, comprende también: - un elemento óptico secundario (4) constituido por una pieza hueca, abierta por sus extremos superior e inferior, de material reflectante, con más de un 90 % de reflexión, situada sobre la célula (5) para recoger el punto de concentración focal (f) en un radio mayor, de modo que la distancia entre el concentrador óptico principal (3) y la célula (5) es mayor que la distancia focal (d).
- un disipador de calor (7), como elemento disipador del calor provocado por la concentración solar, del tipo constituido por un cuerpo de aluminio con múltiples aletas o varillas (7a) capaz de disipar grandes cantidades de calor con un reducido volumen, dispuesto bajo la célula fotovoltaica (5) y en contacto con una sustancia adherente (6) de componente buen conductor de calor que fija dicha célula a la estructura de soporte o carcasa (2), - y un elemento protector (8), por ejemplo en forma de cono, situado entre el concentrador óptico principal (3) y el elemento óptico secundario (4) constituido por una fina película de material altamente conductor del calor y preferentemente reflectante, que protege la estructura de soporte o carcasa (2),
2.- MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA
CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según la reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que el disipador de calor (7), tomando como referencia la relación:
Rd- a=(Td-Ta)/P donde:
Rd - a es el coeficiente de disipación específico de cada disipador (°C/W). Td es la temperatura del disipador (°C).
Ta es la temperatura ambiental (°C).
P es la energía disipada por unidad de tiempo (W). con una célula de 10x10mm y la lente de mínimo 1000cm2 (concentración 1000x), tiene, al menos, un R superior a 1 (mas de 100°/100W) con un volumen inferior a 10x10x5 cm,
3.- MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el disipador de calor (7), con una célula de 10x 0mm y la lente de mínimo 1000cm2 (concentración 1000x), tiene un R próximo a 3 (300°/100W) con un volumen de 10x10x4cm.
4.- MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA
CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según la reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que el disipador de calor (7), cuando cuenta con aletas (7a), tiene un ratio de aleta, que equivale al ancho del espaciado entre aletas dividido por la altura de las mismas, superior a 1 :5.
5. - MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según algunas de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que, en una variante alternativa del módulo, el elemento protector (8) está realizado en su totalidad con un material altamente reflectante o de reflexión interna total; y porque en tal caso, el módulo carece lente Fresnel como concentrador óptico principal (3), ya que el propio cono protector (8) trabaja en toda su superficie interna como concentrador óptico.
6. - MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que se contempla la incorporación de una cobertura transparente (9) que sirve de protección ante la eventual caída de elementos extraños en el interior del elemento protector (8).
7. - MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según algunas de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que la estructura de soporte o carcasa (2) presenta una configuración cúbica, cilindrica o de otra forma con paredes planas o curvas.
8.- MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA
CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según algunas de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que la estructura de soporte o carcasa (2) presenta una configuración cúbica, cilindrica o de otra forma formada por varillas o enrejiliado.
9.- MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según algunas de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado por el hecho de que la estructura de soporte o carcasa (2), presenta una configuración que combina paredes planas o curvas y varillas o enrejillado.
10. - MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que la estructura de soporte o carcasa (2) es inexistente.
11. - MÓDULO FOTOVOLTAICO DE ALTA CONCENTRACIÓN APLICABLE PARA INSTALACIONES DE ENERGÍA
SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO, según la reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que, opcionalmente, el módulo (1 ) admite la incorporación de un circuito de refrigeración por fluido (10), embebido en el disipador de calor (7), convirtiéndolo en módulo fotovoltaico/térmico con aprovechamiento del calor para ACS y otros usos.
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