ES2302656A1 - Concentrador fotovoltaico de alta ganancia con una etapa reflexiva inserta en un dielectrico optico liquido. - Google Patents
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Abstract
Concentrador fotovoltaico de alta ganancia con
una etapa reflexiva inserta en un dieléctrico óptico líquido.
Consiste en un módulo fotovoltaico de
concentración con una etapa óptica que funciona por reflexión
metálica, estando el interior del módulo relleno de un líquido
óptico transparente que proporciona continuidad de indice de
refracción desde la entrada del módulo, constituida por un vidrio o
plástico transparente plano o curvado, hasta la propia célula. Las
células están sumergidas en el líquido, que cumple además la función
de refrigerarlas por convección natural o forzada y de rellenar
todo el interior impidiendo el paso de humedad y evitando la
condensación en el interior del módulo.
Description
Concentrador fotovoltaico de alta ganancia con
una etapa reflexiva inserta en un dieléctrico óptico líquido.
La invención se encuadra en el sector de la
energía solar fotovoltaica, más concretamente en el relativo a los
módulos de concentración compactos de alta ganancia con niveles de
concentración geométrica superiores a 100.
La concentración de la luz del sol sobre la
célula solar por medio de sistemas ópticos es una de las vías que
actualmente tienen mayor relevancia como alternativa competitiva a
los módulos fotovoltaicos convencionales. Una ventaja de la
concentración es que permite hacer un uso eficiente de las células
realizadas con semiconductores III-V en aplicaciones
terrestres que, de otra forma y con los costes actuales, no podrían
competir con los módulos fotovoltaicos de silicio.
Los sistemas de concentración fotovoltaica
propuestos son de muy diversa naturaleza. Una de las opciones es el
denominado módulo de concentración, en el que el sistema óptico, la
célula, el sistema de refrigeración y los elementos de conexionado
son ensamblados en el proceso de fabricación e inseparables a
partir de entonces salvo por medios destructivos. Los módulos
quedan preparados para su instalación e interconexión sobre un
seguidor solar, esto es, una estructura que se mueve siguiendo al
sol. Se trata de reproducir el módulo fotovoltaico plano
convencional, con sus estructura plana y compacta, introduciendo
sistemas ópticos para concentrar la luz en las células. A
diferencia de los módulos convencionales, el área de apertura del
módulo de concentración (área de captación de luz) es muy superior
al área de las células, relación que se conoce como concentración
geométrica.
Se han propuesto muchas soluciones ópticas para
la realización de módulos fotovoltaicos de concentración. La
mayoría de ellas se basan en elementos refractivos, esto es, lentes
que desvían los rayos por medio del fenómeno físico conocido como
refracción [ES2157846, ES2157829, ES2232299], [Bett AW, Siefer G,
Baur C, Riesen Sv, Peharz G, Lerchenmüller H, and Dimroth F.
FLATCON^{TM} Concentrator PV-Technology Ready for
the Market. Proc. of the 20th European Photovoltaic Solar Energy
Conference and Exhibition 2005: 114-117], [Andreev
V, Ionova E, Rumyantsev V, Sadchikov N, and Shvarts M. Concentrator
PV Modules of All-Glass Design with Modified
Structure. Proceedings of the 3rd WCPEC 2003;
1:873-876]. Estos sistemas ópticos desvían los
rayos de luz pero, a diferencia de los espejos, no invierten sus
sentido por lo que permiten diseños ópticos de una sola etapa.
Por el contrario, el uso de elementos reflexivos
o espejos impone el uso de dos o más etapas ópticas para redirigir
la luz de forma que llegue a la célula, que se coloca en la parte
posterior del módulo, en el sentido de incidencia por el plano de
apertura. De esta forma, el sistema de disipación de calor sobre el
que va montada la célula fotovoltaica no produce sombras en el plano
de apertura del sistema óptico (cara frontal del módulo). Una
solución propuesta se basa en la estructura ampliamente conocida y
denominada Cassegrain, que consiste en la combinación de dos
espejos, uno primario cóncavo y uno secundario plano o convexo
[US2007/063522], [Gordon J. Concentrator Optics, in Concentrator
Photovoltaics, Luque A and Andreev V, Editors. Springer: 2007].
También se han propuesto variaciones en las que el medio óptico
entre ambas estructuras no es aire sino vidrio o plástico
transparente, que permiten hacer usos de la reflexión total interna
como mecanismo para concentrar la luz [Alvarez JL, Hernández M,
Benitez P, Miñano JC. RXI Concentrator for 1000X Photovoltaic
Energy Conversion. SPIE'S, Intern. Symposium of Optical Science,
Engineering and Instrumentation, 1999: pp.
30-37].
El uso de líquidos ópticos en módulos
fotovoltaicos tiene también algunos antecedentes. Se ha propuesto
su utilización en módulos de baja concentración con células
bifaciales (US1979/4169738; US1996/5538563). Las células bifaciales
tiene como particularidad que ambas caras son ópticamente activas y
por tanto no pueden adherirse a un disipador. Cuando se utilizan en
un sistema de concentración se disponen perpendiculares al plano de
apertura del sistema óptico, siendo iluminadas por ambos lados y
estando insertas en un medio líquido para su refrigeración.
En otras propuestas el líquido óptico cumple una
función refrigerante en sistemas concentradores reflexivos o
refractivos en los que las células se encuentran dispuestas en la
parte posterior del módulo [US1977/4045246, US1979/
4143233]. Cuando la óptica es refractiva, para obtener concentraciones luminosas elevadas es necesario que el medio óptico desde el área de apertura hasta la célula no sea continuo sino que exista una zona con aire para hacer uso de la refracción. Otra alternativa, pero que sólo permite valores bajos de concentración (inferiores a 100), es usar un tubo en el que la lente la conforma la cara externa del mismo y las células están dispuestas en la parte posterior, estando el interior del cilindro lleno de líquido óptico [US/RE30584]. También se ha propuesto hacer uso de los laterales del módulo como sistema óptico refractivo, por ejemplo una lente curvada, junto con la reflexión total interna en la cara frontal del convertidor como mecanismo para concentrar la luz gracias a un medio óptico líquido que rellena en el interior del sistema [US2003/6583349]. A diferencia de la invención que se propone, no usa óptica reflexiva para disponer las células en la cara frontal.
4143233]. Cuando la óptica es refractiva, para obtener concentraciones luminosas elevadas es necesario que el medio óptico desde el área de apertura hasta la célula no sea continuo sino que exista una zona con aire para hacer uso de la refracción. Otra alternativa, pero que sólo permite valores bajos de concentración (inferiores a 100), es usar un tubo en el que la lente la conforma la cara externa del mismo y las células están dispuestas en la parte posterior, estando el interior del cilindro lleno de líquido óptico [US/RE30584]. También se ha propuesto hacer uso de los laterales del módulo como sistema óptico refractivo, por ejemplo una lente curvada, junto con la reflexión total interna en la cara frontal del convertidor como mecanismo para concentrar la luz gracias a un medio óptico líquido que rellena en el interior del sistema [US2003/6583349]. A diferencia de la invención que se propone, no usa óptica reflexiva para disponer las células en la cara frontal.
Cuando la óptica es reflexiva, las paredes
laterales del módulo son espejos que concentran la luz sobre la
célula, dispuesta en la parte posterior del módulo, estando todo el
conjunto relleno de un medio óptico líquido. Este diseño no permite
tampoco alcanzar valores elevados de concentración.
Existen también diseños que no responden al
concepto de módulo de concentración, esto es un conjunto compacto
que engloba a la óptica, células, conexionado y sistema de
disipación del calor. En uno de ellos el líquido no sirve como
medio óptico continuo, en un compartimiento cerrado entre el
colector y la célula. A diferencia de la invención que se propone,
colector y célula son independientes y se encuentran parcialmente o
totalmente inmersos en un contenedor (tanque, lago, estanque,...) de
agua u otro medio líquido cuya función es la de proteger al propio
colector y refrigerar las células [US2006/260605]. En otro el
líquido sirve como sustitutivo del encapsulante usado en los
módulos fotovoltaicos convencionales.
La novedad de la invención reside en la
utilización de un líquido óptico transparente (5) en el interior de
un módulo fotovoltaico de concentración, que hace uso de una etapa
óptica reflexiva (1) y en el que las células (2) se encuentran
dispuestas en la propia cara frontal del módulo bajo un vidrio u
otro sustrato transparente (4). La disposición de las células en la
cara frontal hace que no pueda utilizarse disipadores para su
refrigeración puesto que impedirían el paso de la luz.
El líquido transparente (5) realiza la doble
función de extraer el calor de las células y proporcionar
continuidad de índice de refracción desde la cara frontal del
módulo hasta la célula. Esta invención permite alcanzar
concentraciones geométricas muy elevadas, de hasta 2000, donde la
concentración geométrica se define como la relación entre el área de
apertura del sistema óptico (área de entrada de luz) y el área de
las células y se considera elevada para valores superiores a
100.
Los concentradores que usan una etapa óptica
primaria reflexiva tienen algunas ventajas respecto a aquellos en
los que el primario es una lente. Puesto que carecen del efecto
conocido como aberración cromática, causante de la dispersión
espectral de la luz, los niveles de concentración que pueden
alcanzarse son mayores cuando el primario es un espejo y no una
lente. El problema de los sistemas reflexivos es que el foco se
encuentra encima del espejo por lo que la célula y cualquier
elemento de refrigeración producen sombras. Es por esto por lo que
su aplicación en un módulo compacto de concentración fotovoltaica
ha exigido, hasta la fecha, el uso de una segunda etapa reflexiva,
lo que introduce mayores pérdidas ópticas. Hay que tener en cuenta
que la eficiencia de cada etapa no es del 100%. Alternativamente se
han usado espejos en concentradores
cilindro-parabólicos o
disco-parabólicos, donde el colector óptico y el
receptor fotovoltaico son elementos diferenciados que no forman un
conjunto inseparable o módulo.
Uno de los aspectos más importantes en un
sistema de concentración fotovoltaica es el sistema de
refrigeración de las células, teniendo en cuenta que el rendimiento
es tanto mayor como menor sea la temperatura de operación de los
dispositivos. Si la refrigeración es pasiva, resulta imprescindible
tener grandes superficies de convección. La solución empleada en
los módulos de concentración consiste en montar la célula sobre un
sustrato metálico que reparte horizontalmente el calor, ofreciendo
una superficie de convección en la parte posterior del módulo
semejante al área de apertura del concentrador, ya sea por medio de
una o varias aletas. En este tipo de diseños la luz entra por la
cara frontal del módulo y se concentra en el dispositivo
fotovoltaico que está térmicamente adherido a la cara posterior del
módulo que actúa como disipador, intercambiando con el aire que
rodea al módulo la energía que no es convertida en electricidad. Si
la etapa óptica primaria es reflexiva, esta configuración exige
redirigir los rayos de luz en el mismo sentido en el que inciden en
el plano de apertura para poder extraer el calor por la cara
posterior del módulo. Es imprescindible una segunda etapa reflexiva,
evitando el sombreado que el sistema de disipación del calor
causaría en caso contrario.
Además, el conexionado eléctrico en serie o
paralelo de los dispositivos hace imprescindible que las células
estén aisladas eléctricamente del sustrato metálico, pero bien
adheridas térmicamente, lo cuál supone un gran reto desde el punto
de vista constructivo de los módulos de concentración.
A diferencia de los módulos convencionales,
donde la célula está rodeada de un material dieléctrico
transparente, en los módulos de concentración existen espacios de
aire debido al sistema óptico, entre la etapa primaria y la
secundaria si existe o la propia célula. Conseguir sellar
adecuadamente el módulo y prevenir la corrosión en el interior del
mismo, el envejecimiento de los materiales aislantes y la pérdida
de aislamiento eléctrico es la principal dificultad en los módulos
de concentración.
A todo esto hay que añadir que la vida útil de
los módulos, para competir con sus homólogos de panel plano, ha de
ser superior a 20 años, y que las tensiones de operación habituales
son de centenares de voltios. El módulo, en condiciones de
operación, somete a los materiales del módulo, en particular del
sustrato que garantiza el aislamiento eléctrico, a tensiones
elevadas y densidades de potencia muy altas. Todo esto hace que las
condiciones técnicas de certificación de estos productos sean, en
consecuencia, muy exigentes.
La presente invención, permite alcanzar niveles
de concentración muy elevados, de hasta 2000, a la vez que resuelve
el problema de la disipación del calor en la célula mediante el uso
de una única etapa óptica reflexiva y un dieléctrico transparente
líquido. Los elementos básicos que forman el módulo de
concentración (8) son un conjunto de elementos ópticos reflexivos
(1) dispuestos en forma de parqué y que conforman la parte
posterior del módulo, un sustrato de vidrio o plástico transparente
(4) que constituye la parte frontal del módulo, unos perfiles (6)
que forman las paredes laterales y sellan el módulo de forma
hermética para formar un compartimiento estanco, y un marco (7),
que se adhiere a los perfiles (6) y que contiene elementos de
soporte para la sujeción del módulo a una estructura que sigue al
sol. La cara frontal (4) del módulo (8) puede considerarse como una
primera etapa óptica refractiva y puede ser plana o curvada y en su
parte interior se adhieren las células fotovoltaicas (2), así como
unas tiras de material conductor (3) que contienen cables u otros
elementos de conexionado. El conjunto del módulo (8) se rellena de
líquido óptico transparente (5) que envuelve el conjunto de
elementos ópticos reflexivos (1) y las propias células fotovoltaicas
(2). Dicho líquido óptico transparente (5) cumple la triple
funcionalidad de proporcionar continuidad de índice de refracción
desde el vidrio o plástico hasta la célula, reduciendo las pérdidas
ópticas de Fresnel, la de enfriar las células fotovoltaicas y la de
rellenar el interior del módulo de un medio dieléctrico en vez de
aire. El módulo de concentración (8) es una unidad de montaje,
preparada para ser fijado en una estructura que sigue al sol
formando array de módulos.
Los elementos ópticos pueden ser de primera
superficie reflexiva, esto es, la cara metalizada es la anterior
del sistema óptico. Alternativamente los elementos ópticos pueden
ser de segunda superficie, en cuyo caso la luz atraviesa además, el
material o materiales transparentes que forman los elementos
ópticos antes y después de ser reflejada.
La refrigeración de las células se produce por
convección natural en el líquido, que transporta el calor desde el
dispositivo hasta las paredes y del módulo. También por convección
natural se produce el intercambio de calor entre las paredes del
módulo con el aire exterior. Una segunda alternativa consiste en
forzar la circulación del líquido con una bomba, lo que además de
mejorar la refrigeración de la célula, permite disponer de un filtro
para mantener el líquido limpio de impurezas y de un acumulador de
líquido que asegure la operación del concentrador en caso de
pequeñas pérdidas de líquido. Alternativamente puede usarse un
depósito de expansión para el líquido que absorbe las dilataciones
del líquido evitando que presione las pareces del módulo cuando se
expande y que aporta líquido extra para pequeñas pérdidas por
fugas.
Otra ventaja significativa de la invención es el
hecho que el circuito activo formado por las células solares, hilos
de conexión, etc. y la carcasa del módulo o masa eléctrica, están
muy separados por materiales dieléctricos como son el líquido
óptico transparente, el vidrio o plástico de la cara frontal y el
parqué de elementos ópticos, habiendo distancias superiores a 1cm.
entre ambos circuitos. En los diseños habituales de módulos de
concentración la célula está muy cerca del disipador metálico, sólo
separada del mismo por un material dieléctrico que debe garantizar
tanto el aislamiento eléctrico entre ambos elementos como una buena
conducción térmica. Siendo ambas propiedades antagónicas, se
recurre a materiales dieléctricos de apenas unos cientos de micras
de espesor. Estos materiales sufren a la larga un gran desgaste por
el envejecimientos causado por la operación del módulo, lo que de
lugar a pérdidas del aislamiento eléctrico del módulo. Este problema
es uno de los más críticos en el diseño de este tipo de módulos
fotovoltaicos, que deben garantizar un correcto funcionamiento
durante más de 20 años en el mercado actual.
La invención evita además la condensación de
agua en el interior del módulo. En los módulos de concentración
convencionales existe aire en el interior del módulo, lo que
propicia la entrada y condensación de agua que causa degradación
óptica, corrosión y fallos de aislamiento eléctrico. En la
invención el módulo está relleno de líquido y se evita este
problema.
La presente invención se ilustra con la figura 1
que muestra un corte transversal del módulo y con la figura 2 que
muestra un detalle de la vista frontal. Dichas figuras no pretenden
determinar el número de espejos y células que conforman el módulo
de concentración.
Los elementos ópticos reflexivos (1) o espejos
se disponen en forma de parqué que conforman la parte posterior del
módulo y concentran la luz del sol en las células fotovoltaicas (2)
que están adheridas eléctricamente a pequeñas tiras de material
conductor (3). Estas tiras permiten el conexionado eléctrico de las
células fotovoltaicas en serie o paralelo y minimizan el sombreado
en la cara frontal del módulo. Las tiras que soportan las células
están adheridas o sujetas a la parte inferior del sustrato de
vidrio o plástico transparente (4) que supone el cerramiento de la
cara frontal del módulo y que puede ser plano o curvado. El
conjunto queda completamente cerrado y sellado por unos perfiles
(6) en los laterales y se rellena de un líquido óptico transparente
(5) que proporciona continuidad de índice de refracción y realiza
el enfriamiento de las células fotovoltaicas. El módulo finaliza en
un marco lateral (7) adherido a los perfiles (6) y que permite su
sujeción en cualquier estructura.
El módulo de concentración (8) es una unidad de
montaje preparada para ser instalada en una estructura que sigue al
sol como ilustra la figura 3, formando matrices de módulos
conectados eléctricamente en serie o paralelo.
La fabricación de los elementos ópticos
reflexivos (1) o espejos puede realizarse por inyección de plástico
o vidrio en un molde, por termoconformado, por embutición de metal
o por colada. Dependiendo del proceso puede fabricarse el parqué de
espejos en una sola pieza o en piezas individuales que
posteriormente se ensamblan. El metalizado de los espejos puede ser
químico, por evaporación de metal o adhiriendo láminas
reflectantes.
Las tiras conductoras (3) soportan las células
fotovoltaicas y permiten su conexionado, pudiendo fabricarse en
muchos de los materiales de encapsulado disponibles en la industria
electrónica como el lead-frame, sustratos
cerámicos o plásticos metalizados (DBC, IMS, circuitos impresos), o
de metales conductores como el cobre. Las células fotovoltaicas (2)
se sueldan o adhieren con adhesivo conductor a las tiras y el
contacto superior de la célula se realiza por soldadura con hilo
(wire bonding).
Una vez fijadas y conectadas eléctricamente las
células a las tiras que las soportan, éstas se adhieren a la parte
inferior de un vidrio o plástico transparente (4) que constituye la
cara frontal del módulo, con la célula hacia abajo. También han de
realizarse las conexiones eléctricas entre las tiras y a los
conectores eléctricos de salida del módulo, dispuestos en un
lateral.
El módulo se construye con el parqué de espejos
como cara inferior y el vidrio o plástico como cara superior. A
continuación se cierra lateralmente con unos perfiles (6), de forma
que quede sellado, y se rellena de líquido transparente óptico (4)
por medio de una válvula dispuesta en un lateral para tal fin. Las
células fotovoltaicas (2), que quedan dentro del módulo, han de
estar sumergidas en el líquido.
Se contemplan dos alternativas para la
refrigeración de las células en operación. La primera es hacer uso
exclusivo de la convección natural del líquido, que se calienta al
estar en contacto con las células fotovoltaicas. La segunda es la
de forzar la circulación del líquido por medio de una bomba
intercambiando el calor en el exterior del módulo.
La presente invención consiste en un módulo de
concentración fotovoltaica cuya aplicación es la de producir
energía eléctrica a partir de la luz del sol.
Claims (3)
1. Módulo de alta concentración fotovoltaica
compacto con una etapa óptica de reflexión metálica que
comprende:
- a.
- un conjunto de elementos ópticos reflexivos (1) dispuestos en forma de parqué y que conforman la cara posterior del módulo,
- b.
- un sustrato de vidrio o plástico transparente (4), plano o curvado, que constituye la cara frontal del módulo, y en cuya cara inferior se adhieren las células fotovoltaicas (2) y unas tiras de material conductor (3) formadas por cables u otros elementos de conexionado,
- c.
- unos perfiles (6) situados en los laterales del módulo y que sellan el módulo de forma hermética, y marcos (7) adheridos a los perfiles (6), y que contienen elementos de soporte que permiten la sujeción del módulo a una estructura que sigue al sol,
- d.
- un líquido óptico transparente (5) que rellena el interior del módulo, envolviendo el conjunto de elementos ópticos reflexivos (1) y las células fotovoltaicas (2), que tiene como funciones las de transportar el calor hasta las caras frontal, posterior y laterales del módulo, proporcionar continuidad de índice de refracción en el sistema óptico desde que la luz entra por la cara frontal del módulo hasta que alcanza las células y evitar simultáneamente la entrada de humedad ambiente y la condensación de vapor de agua en el interior del módulo.
2. Modulo de concentración fotovoltaico según
reivindicación 1 caracterizado porque en una realización
concreta, se le puede añadir un depósito de expansión para absorber
las pequeñas dilataciones del líquido que tienen lugar como
consecuencia de la variación de su temperatura, con el fin de no
presionar las paredes del módulo.
3. Módulo de concentración fotovoltaico según
reivindicación 1 caracterizado porque, en otra realización
concreta, se puede añadir una bomba y un circuito externo al módulo
que incorpore un filtro para forzar la circulación del líquido
transparente para lograr que la disipación del calor sea más
efectiva y permitiendo además la purificación o reposición del
líquido.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| ES200703419A ES2302656A1 (es) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | Concentrador fotovoltaico de alta ganancia con una etapa reflexiva inserta en un dielectrico optico liquido. |
| PCT/ES2008/000727 WO2009080847A1 (es) | 2007-12-21 | 2008-11-20 | Concentrador fotovoltaico de alta ganancia con una etapa reflexiva inserta en un dieléctrico óptico líquido |
Applications Claiming Priority (1)
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| ES200703419A ES2302656A1 (es) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | Concentrador fotovoltaico de alta ganancia con una etapa reflexiva inserta en un dielectrico optico liquido. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2302656A1 true ES2302656A1 (es) | 2008-07-16 |
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ID=39577386
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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2007
- 2007-12-21 ES ES200703419A patent/ES2302656A1/es active Pending
-
2008
- 2008-11-20 WO PCT/ES2008/000727 patent/WO2009080847A1/es active Application Filing
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| Publication number | Publication date |
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