WO2012107608A1 - Dispositivo y lámina para el aprovechamiento de la radiación solar concentrada mediante la utilización de células fotovoltaicas - Google Patents

Dispositivo y lámina para el aprovechamiento de la radiación solar concentrada mediante la utilización de células fotovoltaicas Download PDF

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Definitions

  • the field of the technique of the present invention is that of the application devices in the optimization of the conversion of the radiation, in particular of the concentrated solar energy, through photovoltaic cells.
  • the conversion of energy into electrical energy through photovoltaic panels has the main drawback in the cost-performance ratio in the manufacture of solar cells using semiconductor materials such as mono or polycrystalline silicon, amorphous silicon or other state-of-the-art semiconductor materials such as arsenide Gallium
  • semiconductor materials such as mono or polycrystalline silicon, amorphous silicon or other state-of-the-art semiconductor materials such as arsenide Gallium
  • the cheapest to produce have lower yields, the most expensive double the yield, giving the circumstance that last generation materials such as gallium arsenide are used almost exclusively in laboratories or in space engineering.
  • Solar concentration systems with the use of photovoltaic cells have the disadvantages of heat accumulation in the cell and therefore the reduction of the cell's performance in its electrical conversion ratio.
  • Some systems introduce cooling mechanisms of photovoltaic cells, mainly using heat sinks.
  • multi-junction In order to increase the performance of solar cells, solar cells called multi-junction are being manufactured, which consist of overlapping different sheets sensitive to different wavelengths to increase performance. These cells have the disadvantages that the superposition of different sheets of different materials produces a certain shade in which they are located below, the joints between different materials as well as the high cost of manufacturing them. It is estimated that multi-junction cells have a cost 100 times higher than conventional ones. Panels with solar tracking and concentrating lenses have been introduced in the market that influence radiation on small foci in which last generation cells are located much more efficient but also more expensive. Additionally, in some implementations forms of cooling of the cells are foreseen.
  • the prior art recognizes certain technical problems derived from the return of the incident radiation in the space conversion systems, the internal losses in the conversion of the energy received by the system due to the inefficiencies of the materials, the inefficiency in treating all ranges of wavelengths of solar radiation indiscriminately both for conversion through any type of photoelectric cell and for conversion through heat exchangers (as described in the aforementioned document) or other converters.
  • the present invention provides the technical solutions to the aforementioned prior art problems.
  • the device comprises a closed photovoltaic box (1) (enclosure, compartment or housing) (Figure 1) with internally very reflective faces (1E).
  • the design and shape of the photovoltaic box (1) can vary depending on the dimensions and geometric shapes of the photovoltaic cells (IB) that will be distributed inside.
  • the internal surfaces or faces (1E) of reflection of the photovoltaic box (1) have an optimized geometric shape so that the maximum possible amount of radiation is confined in the closed photovoltaic box (1) and that the radiation is distributed as homogeneously as possible inside it so that the radiation not absorbed in the first incident on a cell (IB) contained inside it is reflected in its successive reflections and is not lost through the opening (1L) of introduction of said photovoltaic box (one).
  • the photovoltaic box (1) preferably has the vacuum (2J) inside it to preserve the photovoltaic cells (IB) and metal contacts (1J) from corrosion as well as to guarantee their greater durability.
  • a connection tube (2J) can be connected to the means for carrying out the vacuum in the photovoltaic box (1).
  • the radiation introduced could be previously selected with respect to:
  • the photovoltaic box (1) can be used without prior control of wavelengths and intensities of the introduced radiation, thus reducing its conversion efficiency ratio.
  • conductive and reflective sheets (1A) connected to adjacent photovoltaic cells (IB) are placed between the photovoltaic cells through a plurality of metal contacts (1 J) in order to allow electric current to circulate .
  • photovoltaic (IB) cells with overprinted electrical contacts can also be used.
  • photovoltaic cells (IB) with metal contacts (1J) inside a photovoltaic box (1) has advantages in the use of concentrated radiation, such as, for example, the achievement of a better compaction of the devices (photovoltaic cells (IB) and conductive and reflective sheets (1A)) inside, as well as the total confinement of the radiation inside the photovoltaic box (1).
  • Photovoltaic cells (IB) and conductive and reflective sheets (1A) may be in one of the preferred embodiments arranged in the form of a battery (parallel surfaces). Additionally when using photovoltaic (IB) cells without overprinted electrical contact, without textured surface and without anti-reflective coating:
  • the surface of the photovoltaic cells (IB) is better used as it is less covered by electrical contacts.
  • the battery-shaped arrangement of photovoltaic cells (IB) and conductive and reflective sheets (1 A) follows the sequence:
  • This arrangement causes the photovoltaic cell (IB) to be irradiated on both sides, which produces a greater concentration at a certain depth of the surface of the photovoltaic cell (IB).
  • photovoltaic cell (IB) By varying the separation between photovoltaic cell (IB) and conductive and reflective sheet (1A) we can achieve that each face of the photovoltaic cell (IB) is irradiated with different intensity.
  • conventional photovoltaic (IB) cells designed to be irradiated on one side can be used. In this case the photovoltaic box (1) would have separate and internally reflective compartments for each pair of single-sided photovoltaic cells with a conductive and reflective sheet (1A) between both cells.
  • the photovoltaic box (1) can contain or be made of aluminum and, as already mentioned, with the inner face (1E) very reflective.
  • the internal faces (1E) of said box (1) can be manufactured with evaporated aluminum or with any other highly polished and very reflective material for certain wavelengths.
  • the photovoltaic box (1) can have compartments for the regulation of the intensity of the radiation (3D) that can be activated or deactivated so that when the intensity of the radiation is increased / reduced, adjacent compartments are activated / deactivated to distribute between the compartments ( 3D) active intensity increases. If there are many compartments, the photovoltaic cells (IB) can be irradiated with quite stable intensities regardless of the climatic conditions of a given moment.
  • Conductive and reflective sheets (1A) can have different shapes.
  • a typical configuration of the conductive and reflective sheets (1A) is that which comprises a plurality of reflective geometric structures located on its surface, such as pyramidal shapes or reflective minipyramids (1H) in the preferred embodiment, which reflect radiation on the cell photo voltaic (IB) and with metal contacts (1J) connected to the photo voltaic cell (IB).
  • Other possible geometric shapes for the conductive and reflective sheets (1A) are for example that of a conductive and reflective sheet with at least one oblique surface (5C) or conductive sheets in the form of meshes (5B).
  • the position of the conductive and reflective sheets (1A, 5C) with respect to the photovoltaic cells (IB) may not be parallel (3C) so that the same flat surface of the sheet (3C) reflects on the photovoltaic cell (IB). In this arrangement it is necessary that the contacts with the photovoltaic cells (IB) have decreasing lengths (3B).
  • These sheets must have electric conduction tabs (3 A) that pass through the cover of the photovoltaic box (1) and circulate the electric current through the external circuit.
  • the way to connect this external circuit can be in series or parallel (1G, 2E).
  • the metal contacts (1 J) necessary to be able to circulate the current can be very different in number, size and arrangement depending on the levels of radiation concentration introduced in the photovoltaic box (1). It must be taken into account that said contacts (1J) have a sufficient dimension so as not to produce resistance to current flow. It is necessary to consider that the contacts are as distributed as possible so that the electrons produced in any point of the cell Voltaic photo (IB) be collected in the outer circuit. On the other hand, it is also necessary to consider the surface of the photovoltaic cell (IB) to which said contacts could be giving shade and, therefore, it is not used.
  • the contact points of the metal contacts (1J) with the surface of the photovoltaic cell (IB) are of good quality, aluminum alloys, platinum etc. can be used, as well as that said contacts are integrate optimally in the crystalline structure of the photovoltaic cell (IB).
  • the materials for the manufacture of the metallic contacts of the conductive and reflective sheets (1A, 5C) which are connectable to the photovoltaic cell (IB) can be diverse. The objective characteristics are the conductivity and reflectance of the material for certain wavelengths.
  • a suitable material for the manufacture of said metal contacts (1J) would be aluminum given its conductivity and reflectance. It could also be an alloy of several conductive metals such as copper or platinum and coated with evaporated aluminum to give it more reflectance.
  • the conductive sheets (1 A, 5C) can provide cooling circuits (6A, 6B, 6C) such as those shown in Figure 6, that is, the conductive sheets (1A, 5C) comprise hollow compartments to accommodate a cooling fluid (6 A) and connectors for cooling (6D) connectable to cooling media (6B, 6C).
  • the photovoltaic (IB) cells As for the photovoltaic (IB) cells to be used, it would be preferable that they were optimized for a more or less wide range of wavelengths and a range of intensities. To produce this optimization, the anti-reflective layers, the depth of the p-n junction and the doping levels can be varied. However, commercial photovoltaic cells could be used. On the other hand, it would not be necessary for the photovoltaic cells (IB) to have an anti-reflective layer, or contact grid, or the textured surface layer to increase the absorption since it is confined in the photovoltaic box (1) and therefore the radiation It will be absorbed in the first or successive interior reflections.
  • IB cells photovoltaic cells have an anti-reflective layer to make certain photons be absorbed and not continuously reflected.
  • the current obtained in the electric conduction tabs (2E) of the conductive and reflective sheets (1A) would be carried by external circuits, in series or parallel, to an AC converter and introduced into conventional electrical supply circuits.
  • cooling mechanisms (6A, 6B, 6C) can also be provided on the walls of the photovoltaic boxes (1), for this they should form compartments so that the fluid could circulate through them.
  • the invention allows radiation to be taken to the photovoltaic boxes (1) and to the transformation and connection centers to the electrical networks.
  • the interconnection of photovoltaic cells (IB) and their connection to DC-AC transformers is reduced in length with the consequent lower resistive losses and greater system efficiencies.
  • FIGURE 1 PHOTOVOLTAIC BOX.
  • IB Photovoltaic cells.
  • FIGURE 2 PROVISION OF VARIOUS PHOTOVOLTAIC BOXES.
  • FIGURE 3 DISPOSITION OF OBLIQUE SHEETS TO CELLS.
  • FIGURE 4 INTENSITY CONTROL COMPARTMENTS VIEW.
  • FIGURE 5 DIFFERENT DRIVING AND REFLECTOR SHEETS.
  • FIGURE 6 COOLING CIRCUIT DRIVING SHEETS AND
  • Cooling media / Refrigerated fluid inlet.
  • Cooling media / Heated fluid outlet Cooling media / Heated fluid outlet.
  • Cooling connectors to cooling media (6B, 6C).

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Abstract

Dispositivo y lámina para el aprovechamiento de la radiación solar concentrada mediante la utilización de células fotovoltaicas cerrado con caras internas muy reflectantes, preferiblemente con vacío y refrigeración interior, en la que se introduce radiación solar concentrada y preferiblemente seleccionada en intensidad y/o longitud de onda, de forma que la radiación quede confinada en su interior a fin de que ésta sea absorbida por las células fotovoltaicas en la primera o sucesivas reflexiones. En el interior están situadas las células fotovoltaicas, en forma de batería, dejando un espacio entre ellas para que se puedan irradiar, intercalando entre las mismas unas láminas conductoras y reflectantes conectadas a la células adyacentes a través de una pluralidad de contactos metálicos de alta conductividad y reflectancia deseñados para no impedir la radiación de la célula y no ofrecer resistencia eléctrica. Las láminas conductoras y reflexivas intercaladas son conectadas en serie o paralelo a circuitos eléctricos externos.

Description

DISPOSITIVO Y LÁMINA PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA RADIACIÓN SOLAR CONCENTRADA MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE
CÉLULAS FOTO VOLTAICAS Campo técnico de la invención
El campo de la técnica de la presente invención es el de los dispositivos de aplicación en la optimización de la conversión de la radiación, en particular de la energía solar concentrada, a través de células fotovoltaicas. Estado de la técnica
La conversión de la energía solaren energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos tiene el principal inconveniente en la relación coste-rendimiento en la fabricación de las células solares mediante materiales semiconductores como el silicio mono o policristalino, silicio amorfo u otros materiales semiconductores de última generación como el arseniuro de galio. Los más baratos de producir tienen rendimientos más bajos, los más caros llegan a doblar el rendimiento, dándose la circunstancia que materiales de última generación como el arseniuro de galio se utilizan casi exclusivamente en laboratorios o en ingeniería espacial. Los sistemas de concentración solar con la utilización de células fotovoltaicas tienen los inconvenientes de la acumulación de calor en la célula y por tanto la reducción del rendimiento de la célula en su ratio de conversión eléctrica. Algunos sistemas introducen mecanismos de refrigeración de las células fotovoltaicas, principalmente utilizando disipadores de calor.
Con el fin de aumentar el rendimiento de las células solares se están fabricando células solares llamadas multi-unión que consisten en superposición de diferentes láminas sensibles a las diferentes longitudes de onda para aumentar el rendimiento. Estas células tienen los inconvenientes de que la superposición de diferentes láminas de diferentes materiales produce una cierta sombra en las que se encuentran debajo, las uniones entre diferentes materiales así como el elevado coste que supone su fabricación. Se estima que las células multi-unión tienen un coste 100 veces superior al de las convencionales. Se han introducido en el mercado paneles con seguimiento solar y lentes concentradores que hacen incidir la radiación sobre pequeños focos en los que se sitúan células de última generación mucho más eficientes pero también más caras. Adicionalmente, en algunas implementaciones se prevén formas de refrigeración de las células.
Se estima que en la fabricación de módulos fotovoltaicos convencionales las etapas que van desde la formación de la unión p-n y la región p+, hasta la completa finalización del módulo, y que suponen la (previa) texturización de la superficie, formación de contactos, capa antirreflectante, interconexión y encintado, hasta la fabricación del soporte del módulo puede suponer un coste del 40% del total del módulo.
En ciertos estudios se estima que del 100% de la radiación total incidente en una célula de silicio convencional, suponiendo que no existe reflectancia superficial en célula: el 24%o de la energía son fotones con longitudes de onda superiores a 1100 nm que no llegan a superar su banda prohibida y que, por tanto, son perdidos, el 33%o es pérdida por el calor producido por los fotones con más energía que la banda prohibida del silicio,
el 13% es perdido por la recombinación interna de los pares electrón-hueco el 18%o es perdido derivado de los efectos de la resistencia
quedando de esta forma sólo 12% de factor de aprovechamiento.
Es conocida la fabricación de circuitos eléctricos sobreimpresos de las células fotovoltaicas, los cuales están dimensionados para que no produzcan resistencias, en especial en utilizaciones de radiación concentrada. Sin embargo, adicionalmente tienen que estar dimensionados para que la superficie de la célula cubierta, es decir, en sombra, sea la menor posible.
En cuanto a modelos o sistemas conocidos cabe mencionar el documento US 4307711 , en el que se utilizan unos tubos concéntricos, uno de ellos como intercambiador de calor. En dicho documento el concepto se basa en la introducción de la radiación solar concentrada en pequeñas aberturas del tubo exterior internamente reflectante y que esta quede confinada en su mayor parte en él para ser aprovechada por el intercambiador de calor y/o células solares. También prevé la realización de vacío (2J) interior para minimizar las pérdidas por conducción. Sumario
La técnica anterior reconoce ciertos problemas técnicos derivados de la devolución de la radiación incidente en los sistemas de conversión al espacio, las pérdidas internas en la conversión de la energía recibida por el sistema debido a las ineficiencias de los materiales, la ineficiencia al tratar todos los rangos de longitudes de onda de la radiación solar indiscriminadamente tanto para la conversión a través de cualquier tipo de célula fotoeléctrica como para la conversión a través de intercambiadores térmicos (como descrito en el documento mencionado) u otros conversores.
La presente invención, según sus reivindicaciones, proporciona las soluciones técnicas a los problemas de la técnica anterior mencionados.
Es objeto de la presente invención proteger un sistema de aprovechamiento de la radiación solar concentrada por medio de células fotovoltaicas, optimizando la conversión de la energía incidente. La optimización se produce en los siguientes puntos los cuales, adicionalmente, abaratan los procesos de fabricación por:
reducir ostensiblemente las pérdidas derivadas de la reflexión de la radiación en la superficie de la célula, ya que la radiación se encuentra confinada en el interior del dispositivo
permitir la utilización de compartimentos para ser utilizados progresivamente al variar la intensidad de radiación incidente
conseguir la compactación y modularidad en el diseño del dispositivo mediante la distribución de las células irradiadas con radiación concentrada dentro del dispositivo
permitir la utilización de células fotovoltaicas sin necesidad de fabricarlas con circuito eléctrico sobreimpreso, lo cualconsigue mayor utilización de la superficie de la célula ya que deja de estar cubierta (en sombra) (este efecto es determinante en circuitos eléctricos que ofrezcan poca resistencia en grandes concentraciones)
permitir la utilización de células fotovoltaicas sin necesidad de tener su capa superficial texturizada para evitar reflexiones en la superficie de las mismas permitir la utilización de células fotovoltaicas sin capa antirreflectante permitir la irradiación de las células por ambas caras con distintos niveles de intensidad en cada cara, con la consiguiente mayor precisión e intensidad de radiación en una determinada profundidad de la célula
permitir la refrigeración de los dispositivos de forma eficiente, compacta y aprovechable
permitir la utilización de células en un ambiente en el que se ha hecho el vacío (2J) en el que se incrementa la conservación de las mismas
- reducir la extensión de los circuitos eléctricos que permiten el mejor aprovechamiento de la conversión a energía eléctrica.
Descripción de los modos de realización
El dispositivo comprende una caja fotovoltaica (1) (recinto, compartimento o carcasa) cerrada (Figura 1) con caras internamente muy reflectantes (1E). El diseño y forma de la caja fotovoltaica (1) puede variar en función de las dimensiones y formas geométricas de las células foto voltaicas (IB) que se van a distribuir en su interior.
Las superficies o caras internas (1E) de reflexión de la caja fotovoltaica (1) tienen una forma geométrica optimizada haga que la máxima cantidad posible de radiación quede confinada en la caja fotovoltaica (1) cerrada y que la radiación sea distribuida lo más homogéneamente posible en el interior de la misma a fin de que la radiación no absorbida en la primera incidencia sobre una célula (IB) contenida en su interior sea reflejada en sus sucesivas reflexiones y no se pierda por la abertura (1L) de introducción de dicha caja fotovoltaica (1). La caja fotovoltaica (1) preferiblemente tiene realizado el vacío (2J) en su interior para preservar las células foto voltaicas (IB) y contactos metálicos (1J) de corrosiones así como para garantizar su mayor durabilidad. Para ello, en la caja fotovoltaica (1) está previsto un tubo de conexión (2J) conectable a medios para realizar el vacío. No obstante también se podría operar
- sin haber realizado previamente el vacío (2J) en su interior o incluso
con la introducción de algún fluido que facilitara la eficiencia y comportamiento térmico del conjunto (por ejemplo un fluido con propiedades de reemisión de otros fotones, en diferentes longitudes de onda a las incidentes en dicho fluido, y/o con propiedades conductoras). En su forma preferible de realización, la radiación introducida podría estar previamente seleccionada respecto a:
las longitudes de onda incidentes y/o
- los niveles de intensidad de dicha radiación.
Sin embargo, la caja fotovoltaica (1) se puede utilizar sin control previo de longitudes de onda e intensidades de la radiación introducida, reduciendo de esta forma su ratio de eficiencia de conversión. En la realización preferida, entre las células fotovoltaicas se colocan unas láminas conductoras y reflectantes (1A) conectadas a las células fotovoltaicas (IB) adyacentes a través de una pluralidad de contactos metálicos (1 J) a fin de permitir la circulación de la corriente eléctrica. Sin embargo, también se pueden utilizar células fotovoltaicas (IB) con contactos eléctricos sobreimpresos.
La disposición de las células fotovoltaicas (IB) con contactos metálicos (1J) en el interior de una caja fotovoltaica (1) tiene en si ventajas en la utilización de radiación concentrada, como son, por ejemplo, la consecución de una mejor compactación de los dispositivos (células fotovoltaicas (IB) y láminas conductoras y reflectantes (1A)) en su interior, así como el total confinamiento de la radiación en el interior de la caja fotovoltaica (1). Células fotovoltaicas (IB) y láminas conductoras y reflectantes (1A) pueden estar en una de las realizaciones preferidas dispuestas en forma de batería (superficies paralelas). Adicionalmente al utilizar células fotovoltaicas (IB) sin contacto eléctricos sobreimpresos, sin superficie texturizada y sin capa antirreflectante:
se abarata el proceso de su fabricación ya que no hace falta ciertos procesos industriales en su fabricación
se utiliza mejor la superficie de las células fotovoltaicas (IB) al estar menos cubierta por los contactos eléctricos.
siendo éstas características técnicas ventajosas frente al estado de la técnica.
Sin embargo, podríamos utilizar estas cajas fotovoltaicas con células fotovoltaicas (IB) del estado de la técnica actual, siendo las ventajas técnicas de la invención la distribución en batería de los dispositivos células foto voltaicas (IB) y láminas conductoras y reflectantes (1 A).
La disposición en forma de batería de las células foto voltaicas (IB) y las láminas conductoras y reflectoras (1 A) sigue la secuencia:
célula fotovoltaica capa p
lámina conductora p
célula cara p
célula cara n
- lámina conductora n
célula cara n
célula cara p
lámina conductora p
célula cara p,...
y así sucesivamente. Esta disposición hace que la célula fotovoltaica (IB) sea irradiada sobre ambas caras, lo cual produce una mayor concentración en una determinada profundidad de la superficie de la célula fotovoltaica (IB). Variando la separación entre célula fotovoltaica (IB) y lámina conductora y reflectante (1A) podemos conseguir que cada cara de la célula fotovoltaica (IB) sea irradiada con diferente intensidad. Como mencionado anteriormente, pueden ser utilizadas células foto voltaicas (IB) convencionales diseñadas para ser irradiadas en una sola cara. En este caso la caja fotovoltaica (1) tendría compartimentos separados e internamente reflectantes para cada par de células fotovoltaicas de una cara con una lámina conductora y reflectante (1A) entre ambas células.
La caja fotovoltaica (1) puede contener o estar fabricada con aluminio y, como ya mencionado, con la cara interior (1E) muy reflectante. La fabricación de las caras internas (1E) de dicha caja (1) se puede realizar con aluminio evaporado o con cualquier otro material muy pulido y muy reflectante para determinadas longitudes de onda.
Para que el reparto de la radiación sea lo más homogéneo posible se pueden introducir elementos reflectantes(2B, 4B, 4C) o refractivos, como una lente distribuidora (ID). La caja foto voltaica (1) puede tener unos compartimentos para la regulación de la intensidad de la radiación (3D) activables o desactivables para que al incrementarse/reducirse la intensidad de la radiación se vayan activando/desactivando compartimentos adyacentes para repartir entre los compartimentos (3D) activos los incrementos de intensidad. Si existen muchos compartimentos se puede conseguir que las células foto voltaicas (IB) sean irradiadas con intensidades bastantes estables independientemente de las condiciones climáticas de un momento determinado.
Las láminas conductoras y reflectantes (1A) pueden tener formas diversas. Una configuración típica de las láminas conductoras y reflectantes (1A) es la que comprende una pluralidad de estructuras geométricas reflectantes situadas en su superficie, como por ejemplo formas piramidales o minipirámides reflectantes (1H) en la realización preferida, que reflejen la radiación sobre la célula foto voltaica (IB) y con contactos metálicos (1J) conectados con la célula foto voltaica (IB). Otras formas geométricas posibles para las láminas conductoras y reflectantes (1A) son por ejemplo la de una lámina conductora y reflectante con al menos una superficie oblicua (5C) o láminas conductoras en forma de mallas (5B).
La posición de las láminas conductoras y reflectantes (1A, 5C) respecto a las células foto voltaicas (IB) pueden no ser paralelas (3C) para que la misma superficie plana de la lámina (3C) refleje sobre la célula fotovoltaica (IB). En esta disposición es necesario que los contactos con las células fotovoltaicas (IB) tengan longitudes decrecientes (3B).
Estas láminas deben tener unas pestañas de conducción eléctrica (3 A) que atraviesan la tapa de la caja fotovoltaica (1) y hacen circular la corriente eléctrica por el circuito exterior. La forma de conectar este circuito exterior puede ser en serie o paralelo (1G, 2E).
Los contactos metálicos (1 J) necesarios para poder hacer circular la corriente pueden ser muy distintos en número, tamaño y disposición dependiendo de los niveles de concentración de radiación introducida en la caja fotovoltaica (1). Hay que tener en cuenta que dichos contactos (1J) tengan una dimensión suficiente para no producir resistencia al paso de corriente. Hay que considerar que los contactos estén lo más repartidos posible para que los electrones producidos en cualquier punto de la célula foto voltaica (IB) sean recogidos en el circuito exterior. Por otra parte también hay que considerar la superficie de la célula foto voltaica (IB) a la que dichos contactos pudieran estar dando sombra y, por tanto, no es aprovechada. Por otra parte hay que considerar que los puntos de contactos de los contactos metálicos (1J) con la superficie de la célula foto voltaica (IB) sean de buena calidad, pudiendo utilizarse aleaciones de aluminio, platino etc., así como que dichos contactos se integren óptimamente en la estructura cristalina de la célula foto voltaica (IB). Los materiales para la fabricación de los contactos metálicos de la láminas conductoras y reflectantes (1A, 5C) los cuales son conectables a la célula foto voltaica (IB) pueden ser diversos. Las características objetivo son la conductividad y reflectancia del material para determinadas longitudes de onda. Un material adecuado para la fabricación de dichos contactos metálicos (1J) sería el aluminio dada su conductividad y reflectancia. También podría ser una aleación de varios metales conductores como el cobre o platino y recubierta con aluminio evaporado para darle más reflectancia.
Las láminas conductoras (1 A, 5C) pueden prever circuitos de refrigeración (6A, 6B, 6C) tal como los mostrados en la Figura 6, es decir, las láminas conductoras (1A, 5C) comprenden compartimentos huecos para alojar un fluido de refrigeración (6 A) y conectores para refrigeración (6D) conectables a medios de refrigeración (6B, 6C).
En cuanto a las células foto voltaicas (IB) a utilizar sería preferible que estuvieran optimizadas para un rango más o menos amplio de longitudes de onda y un rango de intensidades. Para producir esta optimización se pueden variar las capas antirreflectantes, la profundidad de la unión p-n y los niveles de dopaje. No obstante se podrían utilizar células foto voltaicas comerciales. Por otra parte no sería necesario que las células fotovoltaicas (IB) tuvieran capa antirreflectante, ni rejilla de contactos, ni la capa superficie texturizada para incrementar la absorción ya que ésta se encuentra confinada en la caja foto voltaica (1) y por tanto la radiación será absorbida en la primera o en las sucesivas reflexiones interiores.
Al ser las células fotovoltaicas (IB) irradiadas por ambas caras con variación de la intensidad en cada cara, es más fácil diseñar las células fotovoltaicas (IB) para que la profundidad de penetración de una determinada longitud de onda esté más concentrada y delimitada en una determinada zona física de dicha unión p-n.
Puede ser necesario en ciertas longitudes de onda y ciertos materiales que las células foto voltaicas (IB) tengan una capa antirreflectante para hacer que ciertos fotones sean absorbidos y no continuamente reflejados.
Por otra parte se pueden utilizar perfectamente células foto voltaicas (IB) convencionales con superficie texturizada, contactos y capa antirreflectante.
La corriente obtenida en las pestañas de conducción eléctrica (2E) de las láminas conductoras y reflectantes (1A) sería llevada por circuitos externos, en serie o paralelo, a un conversor a corriente alterna e introducida en los circuitos de abastecimiento eléctrico convencionales.
En la Figura 2 se puede apreciar que el sistema sería fácilmente compactable y modulable. Esto dota al sistema de una alta estandarización en los procesos de fabricación y por tanto el alcance de economías de escala. Las cajas foto voltaicas (1) y sus respectivas tapas, se pueden fabricar mediante la conformación de chapas de aluminio mediante troqueles automatizados.
Por otra parte también se pueden prever mecanismos de refrigeración (6A, 6B, 6C) en las paredes de las cajas fotovoltaicas (1), para ello éstas deberían formar compartimentos para que el fluido pudiera circular a través de ellas.
Finalmente, como es conocido del estado de la técnica, en la disposición convencional de células fotovoltaicas sin o con concentración en focos las células fotovoltaicas se sitúan en planos que cubre muchos metros cuadrados y estas células fotovoltaicas tienen que estar conectadas entre ellas y a los centros transformadores de corriente continua en alterna, lo cual representa muchos metros de líneas eléctricas y las consiguientes pérdidas resistivas.
Por ello, es también objeto de protección, a través de la configuración de las conexiones entre láminas conductoras y reflectantes (1A) y células fotovoltaicas (IB) y, en definitiva, la de las cajas foto voltaicas (1) en si, el dispositivo y lámina, según las reivindicaciones, que permiten reducir la extensión de los circuitos eléctricos externos necesarios para intercomunicar en serie y/o paralelo el conjunto de todas las células foto voltaicas (IB) a los centros de transformación. Como hemos visto en los párrafos anteriores, la invención permite llevar la radiación a las cajas fotovoltaicas (1) y a los centros de transformación y conexión a las redes eléctricas. La interconexión de células fotovoltaicas (IB) y la conexión de éstas a los transformadores DC-AC se reduce en longitud con las consiguientes menores pérdidas resistivas y mayores eficiencias del sistema.
Descripción de los dibujos
FIGURA 1. CAJA FOTOVOLTAICA.
1 Caja foto voltaica
1A. Láminas conductoras y reflectantes.
IB. Células fotovoltaicas.
IC. Línea entrada radiación.
ID. Lente distribuidora.
IE. Cara interna muy reflexiva.
1G. Unión a circuito eléctrico.
IH. Minipirámides reflectantes.
II. Haces de radiación concentrada.
1 J. Contactos metálicos en contacto con la célula fotovoltaica (IB).
1K. Haces reflejados sobre la célula fotovoltaica (IB).
1L. Abertura de la caja fotovoltaica (1)
FIGURA 2. DISPOSICIÓN DE VARIAS CAJAS FOTOVOLTAICAS.
2B. Reflector oblicuo reparto radiación.
2E. Pestañas de conducción eléctrica de las láminas conductoras y reflectantes (1A).
2F. Circuito semiconductor lado p.
2G. Circuito semiconductor lado n.
2H. Tapas de la caja fotovoltaica.
21. Medios de fijación de las tapas (2H). 2J. Tubo para la realización vacío interior/introducción de fluido refrigerante y facilitador de eficiencia.
FIGURA 3. DISPOSICIÓN LÁMINAS OBLICUAS A LAS CÉLULAS.
3B. Contactos eléctricos de longitudes decrecientes, los cuales conectan las láminas conductoras y reflectantes (1A), dispuestas oblicuamente con respecto a la de las células fotovoltaicas (IB), con estas últimas.
3D. Compartimentos para la regulación de los diferentes niveles de intensidad.
FIGURA 4. VISTA COMPARTIMENTOS CONTROL DE INTENSIDAD.
REFLECTORES DISTRIBUIDORES DE LA RADIACIÓN.
4B. Reflectores convexos.
4C. Reflectores oblicuos. FIGURA 5. DIFERENTES LÁMINAS CONDUCTORAS Y REFLECTORAS.
1 J. Contactos metálicos en contacto con la célula fotovoltaica (IB).
5B. Lámina conductora en forma de malla.
5C. Lámina conductora y reflectante con superficies oblicuas. FIGURA 6. CIRCUITO REFRIGERACIÓN LÁMINAS CONDUCTORAS Y
REFLECTORAS.
6A. Láminas conductoras y reflectantes huecas.
6B. Medios de refrigeración / Entrada fluido refrigerado.
6C. Medios de refrigeración/ Salida fluido calentado.
6D. Conectores de refrigeración a los medios de refrigeración (6B, 6C).
1 J. Contactos metálicos en contacto con la célula fotovoltaica (IB).

Claims

Reivindicaciones
1 Lámina conductora y reflectante (1A, 5C) para el aprovechamiento de la radiación solar concentrada mediante la utilización de células fotovoltaicas
caracterizada por que comprende una pluralidad de contactos metálicos (1J) de alta conductividad y reflectancia, conectables eléctricamente a dichas células fotovoltaicas (IB).
2. Lámina conductora y reflectante (1 A, 5C) según la reivindicación 1
caracterizada por que los contactos metálicos (1J) contienen aluminio o bien una aleación de varios metales conductores como el cobre o platino recubierta con aluminio evaporado.
3. Lámina conductora y reflectante (1A, 5C) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores
caracterizada por que comprende una pluralidad de estructuras geométricas reflectantes situadas en su superficie.
4. Lámina conductora y reflectante (1 A, 5C) según la reivindicación 3
caracterizada por que las estructuras geométricas son minipirámides reflectantes dotadas de contactos metálicos (1 J).
5. Lámina conductora y reflectante (1A, 5C) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores
caracterizada por que comprende al menos una superficie oblicua (5C) o por que tiene forma de malla (5B).
6. Lámina conductora y reflectante (1A, 5C) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores
caracterizada por que comprende compartimentos huecos para alojar un fluido de refrigeración (6A) y conectores para refrigeración (6D) conectables a medios de refrigeración (6B, 6C).
7. Lámina conductora y reflectante (1A, 5C) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores
caracterizada por que adicionalmente comprende una pestaña de conducción eléctrica (3 A) para extraer la corriente eléctrica hacia el circuito exterior.
8. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada que comprende una caja foto voltaica (1) cerrada, de caras internas (1E) reflectantes, con células foto voltaicas (IB) introducidas en su interior, con aberturas (1L) para la entrada de la radiación concentrada y salida de conductores eléctricos para extraer la energía transformada hacia un circuito externo
caracterizado por que comprende entre células foto voltaicas (IB) al menos una lámina conductora y reflectante (1A, 5C), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, dicha lámina conectable a través de la pluralidad de contactos metálicos (1J) a las células fotovoltaicas (IB) adyacentes.
9. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según la reivindicación 8
caracterizado por que comprende elementos reflectantes (2B, 4B, 4C) y/o elementos refractivos para homogeneizar la difusión de la radiación en el interior de la caja fotovoltaica (1).
10. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según la reivindicación 8 o 9
caracterizado por que la abertura (1L) es de forma lineal en la que se fija una lente distribuidora (ID).
11. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10
caracterizado por que la disposición de las células fotovoltaicas (IB) y las láminas conductoras y reflectantes (1 A) es en batería.
12. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según la reivindicación 8 a 11 caracterizado por que la posición de las láminas conductoras y reflectantes (1A, 5C) respecto a las células foto voltaicas (IB) puede formar un ángulo (3C).
13. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según la reivindicación 8 a 12
caracterizado por que la disposición de las células foto voltaicas (IB) y las láminas conductoras y reflectantes (1 A) sigue la secuencia:
célula foto voltaica (IB) capa p
lámina conductora y reflectante (1 A) p
- célula cara p
célula cara n
lámina conductora n
célula cara n
célula cara p
- lámina conductora p
célula cara p
y así sucesivamente.
14. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13
caracterizado por que las caras internas (1E) reflectantes de la caja foto voltaica (1) tienen una forma geométrica optimizada la cual permite el reparto homogéneo de la radiación en el interior de dicha caja (1) sin pérdidas a través de la abertura (1L).
15. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14
caracterizado por que las células foto voltaicas (IB) utilizadas son células foto voltaicas (IB) sin contacto eléctricos sobreimpresos, sin superficie texturizada y sin capa antirreflectante.
16. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 15
caracterizado por que las células foto voltaicas (IB) utilizadas pueden tener profundidad de la unión p-n variable y/o los niveles de dopaje variable.
17. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14 y 16
caracterizado por que las células foto voltaicas (IB) utilizadas pueden tener capas antirreflectantes variables y/o no necesitar rejilla de contactos y/o no necesitar la capa superficial texturizada.
18 Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 17
caracterizado por que la caja foto voltaica (1) comprende compartimentos separados e internamente reflectantes para cada par de células fotovoltaicas de una cara con una lámina conductora y reflectante (1 A) entre ambas células.
19. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 18
caracterizado por que en la caja foto voltaica (1) está previsto un tubo de conexión (2J) conectable a medios para realizar el vacío.
20. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 19
caracterizado por que en la caja foto voltaica (1) está previsto un tubo de conexión (2J) conectable a medios para la introducción/extracción de fluido en/de su interior.
21. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 20
caracterizado por que el material de fabricación de la caja foto voltaica (1) contiene aluminio.
22. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 21
caracterizado por que el material de fabricación las caras internas (1E) de dicha caja fotovoltaica (1) es aluminio evaporado, plata u otro metal muy pulido y muy reflectante para determinadas longitudes de onda incidentes.
23. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 22
caracterizado por que la caja foto voltaica (1) comprende compartimentos activables/desactivables según la intensidad de la radiación (3D).
24. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 23
caracterizado por que los contactos eléctricos de los contactos metálicos (1J) con la superficie de la célula fotovoltaica (IB) comprenden alguna aleación de aluminio y/o platino, estando integrados en la estructura cristalina de la célula fotovoltaica (IB).
25. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 24
caracterizado por que las paredes de la caja fotovoltaica (1) están dotadas de compartimentos conectables a medios de refrigeración.
26. Dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 25
caracterizado por que el interior de la caja fotovoltaica (1) contiene un fluido con propiedades de reemisión de otros fotones, en diferentes longitudes de onda a las incidentes en dicho fluido, y/o con propiedades conductoras.
27. Uso del dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada caracterizado por que en la caja fotovoltaica (1), construida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, la radiación se puede introducir con previa selección respecto a:
las longitudes de onda incidentes y/o
los niveles de intensidad.
28. Uso del dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según la reivindicación 27
caracterizado por que en la caja fotovoltaica (1) se introducen células foto voltaicas (IB) diseñadas para que la profundidad de penetración de una determinada longitud de onda actúe en una determinada zona física de dicha célula fotovoltaica (IB).
29. Uso del dispositivo de aprovechamiento de la radiación solar concentrada según la reivindicación 17
caracterizado por que las células foto voltaicas (IB) son células foto voltaicas convencionales.
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