DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO CON CONCENTRACIÓN Y DISPERSIÓN ESPECTRAL DEL HAZ DE LUZ CAPTADO.

Dispositivo fotovoltaico con concentración y dispersión espectral del haz de luz captado Campo técnico 2 EP 2141748 E09163201 16-11-2011 La presente descripción se refiere en general a centrales fotovoltaicas con concentración de radiación y, más particularmente, a un dispositivo fotovoltaico con concentración y fraccionamiento espectral de la radiación captada. Antecedentes técnicos Las centrales fotovoltaicas con concentración de la luz permiten reducir el uso de semiconductores caros, típicamente en forma de células discretas con rendimiento de conversión mejorado que se pueden disponer en un sustrato apropiado en matrices de alta densidad, compuestas por hasta varias decenas de células, cada una de ellas con un área activa que puede ir desde aproximadamente 0,5 hasta aproximadamente 4 cm 2 , o incluso mayores. Las células pueden ser de varios tipos. Por ejemplo, una estructura apilada de células de doble o triple unión, de alto rendimiento, puede comprender una capa semiconductora superior de GaInP2 sobre una capa semiconductora intermedia de GaAs, desarrollada sobre un sustrato de Ge monocristalino intermedio. Las uniones entre la capa semiconductora superior y la intermedia y entre esta última capa y la capa de sustrato constituyen dos uniones túnel. Una capa metálica posterior y un contacto metálico obtenido en la capa semiconductora superior constituyen los terminales eléctricos de las células. El área de superficie de la capa semiconductora superior de GaInP2 no cubierta por el contacto metálico representa el área activa de la célula y puede estar provista de una película transparente reflectante. Al ser posible optimizar selectivamente la estructura de células individuales de tal manera que se mejore su rendimiento de conversión para una región específica del espectro de radiación solar, se puede incrementar significativamente el rendimiento de conversión global del sistema dispersando el espectro de la radiación captada y dirigiendo haces de espectro diferente hacia las superficies activas de células respectivamente dedicadas, con el fin de aprovechar la mayor sensibilidad a la radiación con la longitud de onda comprendida en el espectro específico de máximo rendimiento de las diferentes células. Con este fin, se han propuesto espejos parabólicos para captar y concentrar radiación en un haz. El haz es adecuado para iluminar las áreas activas de las células de manera que, en lugar de tener una superficie parabólica reflectante continua, la superficie del espejo puede estar compuesta por una pluralidad de espejos poliédricos planos que se aproximan a una superficie parabólica y en donde cada revestimiento de espejos poliédricos planos que forma la superficie parabólica tiene capas de filtros dicroicos semirreflectantes, superpuestos, sobre una capa de sustrato completamente reflectante. De esta manera, las tres o más superficies reflectantes de diferentes distancias focales concentran el espectro solar en tres focos diferenciados, cuyos haces correspondientes se dirigen sobre tres células o matrices de células con características optimizadas para la región específica del espectro. El documento de C.R. Lewis et al., Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Aerospace Power Systems and Technology, Honolulu, Hi, 27 de julio de 1997; IEEE, US, vol. 1, 27 de julio de 1997, XP010269032 da a conocer un dispositivo fotovoltaico con filtros dicroicos. Sumario Un objetivo del solicitante es proporcionar un dispositivo fotovoltaico con concentración de la radiación captada y con dispersión espectral, que no requiera estructuras ópticas de grandes dimensiones, posicionadas externamente y complejas para captar y concentrar luz y de enfoque acondicionado espectralmente, y en el que, excepto para el espejo de captación y concentración de la radiación, que necesariamente tendrá un tamaño relativamente grande, la totalidad del resto de elementos ópticos y todos los dispositivos semiconductores de conversión sensibles a la exposición directa a agentes atmosféricos estén contenidos en un cuerpo de tipo caja sellada herméticamente, protegido de la suciedad y de los efectos de la exposición directa a agentes atmosféricos. Este resultado importante se obtiene con un dispositivo fotovoltaico que comprende una pluralidad de células fotovoltaicas de diferente sensibilidad espectral, dispuestas en áreas respectivas de superficies interiores de un cuerpo de tipo caja sellada herméticamente provisto de una pupila transparente con tratamiento antirreflectante de su superficie. A través de la pupila, un haz concentrado de radiación captada entra en el dispositivo, y una pluralidad de filtros dicroicos dispuestos en cascada sobre el eje óptico de la pupila de entrada transparente dispersa el haz concentrado en haces diferenciados de diferente espectro. Muchos espejos, cada uno con múltiples superficies reflectantes, interceptan haces respectivos de la subdivisión espectral, y las múltiples superficies reflectantes redireccionan la radiación en forma de una pluralidad de haces reflejados, cada uno de ellos dirigido para iluminar el área activa de una célula fotovoltaica de una matriz respectiva.   La invención se define en las reivindicaciones adjuntas. Breve descripción de los dibujos 3 EP 2141748 E09163201 16-11-2011 La FIG. 1 es una vista de distribución básica de un dispositivo fotovoltaico con concentración de la radiación captada y con dispersión espectral de acuerdo con una realización de esta invención. Las FIGS. 2a y 2b son vistas esquemáticas de distribución y en alzado de una matriz ejemplificativa de células fotovoltaicas discretas organizadas sobre una placa de circuito impreso. La FIG. 3 representa una realización del redireccionamiento de múltiples haces de iluminación usando un espejo con superficies reflectantes planas escalonadas. La FIG. 4 representa una realización del redireccionamiento de múltiples haces de iluminación usando un espejo con superficies reflectantes convexas. La FIG. 5 representa una realización del redireccionamiento de múltiples haces de iluminación usando un espejo con superficies reflectantes planas y células montadas en una posición inclinada. La FIG. 6 ilustra esquemáticamente una estructura de pivotamiento con ajuste por tuerca para regular con precisión el ángulo de incidencia de una matriz receptora de células fotovoltaicas. La FIG. 7 representa esquemáticamente una estructura de pivotamiento con ajuste por troquel para regular con precisión el ángulo de incidencia de la matriz receptora de células fotovoltaicas. Descripción de realizaciones ejemplificativas En referencia a la FIG. 1, el espejo parabólico de captación para concentrar la radiación solar en la superficie de un contra-espejo (no representado en la figura, que tiene típicamente el mismo punto focal que el espejo de captación, pero mucho más cercano al mismo para reducir su tamaño y por lo tanto las sombras) y la estructura de soporte relacionada se ilustran esquemáticamente mediante los trazos 1 y 2 de una parte de la estructura de captación completa que puede tener un tamaño del orden de uno o más metros. Cuando se ha completado el ensamblaje, el cuerpo 3 de tipo caja define un espacio interior aislado herméticamente con respecto a agentes atmosféricos tales como lluvia, polvo, hollín y similares. El cuerpo 3 de tipo caja puede ser de cualquier material resistente a acciones corrosivas de agentes atmosféricos y, por lo menos parcialmente, de un material metálico con buena conductividad térmica, y tiene por lo menos una abertura sellada por una pupila P de un material transparente. El aluminio y aleaciones del mismo, el cobre, el latón, el titanio son un material metálico ejemplificativo adecuado para construir el cuerpo 3 de tipo caja sellada herméticamente o por lo menos algunas partes del mismo. La pupila P se puede realizar con sílice fundida y, preferentemente, tiene en ambas caras una película de material antirreflectante que puede incluir películas delgadas de materiales con diferente índice de refracción, tales como, por ejemplo, MgO, ITO, Ta2O5, ZrO2, TiO2, SiO2, MgF2 u otro material con propiedades ópticas adecuadas, resistente a agentes atmosféricos y a las condiciones de funcionamiento del dispositivo fotovoltaico. En el ejemplo ilustrado, la pupila de entrada P del haz concentrado F1 de radiación captada, sobresale ligeramente con respecto a la superficie parabólica del espejo primario 1 a través de una abertura del mismo, hacia la cual se dirige, en combinación con el eje óptico de la pupila de entrada, el haz primario concentrado F1 desde el contra-espejo focal del espejo parabólico de captación. Alternativamente, la pupila P puede estar a nivel o incluso ligeramente rebajada con respecto a la apertura del espejo parabólico y el haz concentrado puede llegar a... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo fotovoltaico para convertir radiación solar, que comprende: 8 EP 2141748 E09163201 16-11-2011 una pluralidad de matrices diferenciadas (C1, C2, C3) de células fotovoltaicas, de máxima sensibilidad, en una región espectral respectiva de la radiación captada diferente a la de las células de las otras matrices, situadas en áreas respectivas de superficies interiores de un cuerpo (3) de tipo caja sellada que tiene una pupila transparente (P) de entrada de un haz concentrado y colimado (F1) de radiación solar captada; por lo menos dos filtros dicroicos (6, 7) dispuestos en cascada a lo largo del eje óptico de dicha pupila transparente de entrada (P) de dicho haz concentrado, que lo dispersan en haces diferenciados (F2, F3, F4) de espectro diferente; tantos espejos (8, 9, 10) como el número de haces espectralmente diferentes (F2, F3, F4) con una pluralidad de superficies reflectantes (8, 8), interceptando cada espejo un haz respectivo de dispersión espectral del haz entrante de radiación concentrada, subdividiendo el haz interceptado en una pluralidad de haces reflejados, desde dicha pluralidad de superficies reflectantes (8, 8), dirigido cada uno de ellos para iluminar un área activa de una célula fotovoltaica (11, 12, 13) de la matriz respectiva (C1, C2, C3). 2. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, que incluye además un espejo primario (1) de captación de radiación que tiene una abertura central yuxtapuesta a dicha pupila transparente (P), y un contraespejo que coopera en la generación de dicho haz (F1) de radiación concentrada colimada con el eje óptico de dicha pupila transparente de entrada (P), dirigido hacia dicha abertura central del espejo primario (1). 3. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que parte de las paredes del cuerpo (3) de tipo caja sellada es de un material de alta conductividad térmica, y se aplican o forman disipadores térmicos (5) sobre la superficie externa de la pared, por lo menos en correspondencia con dichas áreas de colocación de una matriz (C1, C2, C3) de células fotovoltaicas. 4. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que dichos filtros dicroicos (6, 7) son de vidrio de calidad óptica que tiene un grosor del orden de uno o varios milímetros, y área de dimensiones suficientes para interceptar dicho haz colimado (F1) de radiación concentrada, y que tienen por lo menos una película multicapa sobre por lo menos una superficie de la placa de vidrio, de materiales que tienen diferentes índices de refracción y grosores adaptados para producir el efecto dicroico deseado. 5. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que dichos espejos con una pluralidad de superficies reflectantes tienen una superficie convexa-poliédrica, reflejando cada faceta poliédrica plana del espejo uno de dichos haces de subdivisión de sección transversal y dirección adaptadas para iluminar el área activa de una célula fotovoltaica respectiva de la matriz. 6. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que dicho espejo con una pluralidad de superficies reflectantes tiene escalones que definen una pluralidad de superficies reflectantes planas, reflejando cada una de ellas un haz de subdivisión de sección transversal y dirección tales que iluminan las áreas activas de células dispuestas flanco-con-flanco a lo largo de una fila de dicha matriz organizada en filas y columnas. 7. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que dicho espejo con una pluralidad de superficies reflectantes tiene escalones que definen una pluralidad de superficies reflectantes convexas que reflejan, cada una de ellas, un haz de subdivisión de sección transversal y dirección tales que iluminan las áreas activas de células dispuestas flanco-con-flanco a lo largo de una fila de dicha matriz organizada en filas y columnas. 8. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 1, en el que cada matriz (C1, C2, C3) de células fotovoltaicas incluye una placa (15 a 18) de circuito impreso con una capa metálica (15) de superficie frontal, definida geométricamente en islotes de área adaptados para acoplarse eléctricamente a una capa metálica de contacto inferior de una o de varias de dichas células fotovoltaicas (11, 12, 13) dispuestas flanco-con-flanco de la matriz organizada en filas y columnas de células. 9. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 8, en el que dicha placa de circuito impreso tiene un sustrato dieléctrico (18) de un material perteneciente al grupo compuesto por cerámicas, vidrios y cermets. 10. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 9, en el que debajo de dichos islotes definidos de capa metálica superficial (15) de la placa de circuito impreso sobre la cual reposa en contacto eléctrico la parte inferior de una o más células fotovoltaicas dispuestas flanco con flanco, el sustrato tiene una pluralidad de agujeros pasantes (19) rellenados con un material metálico de alta conductividad térmica, que constituyen un puente térmico para transferir calor desde la parte inferior de las células (11, 12, 13) a través del grosor del sustrato (18) de placa de   9 EP 2141748 E09163201 16-11-2011 circuito impreso hacia una superficie de acoplamiento térmico de un disipador térmico, con interposición de una capa dieléctrica relativamente delgada (20) entre el material metálico que rellena los agujeros (19) y el disipador térmico. 11. Dispositivo fotovoltaico según la reivindicación 10, en el que dicha capa dieléctrica relativamente delgada (20) es una lámina de mica. 12. Dispositivo fotovoltaico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores de la 8 a la 11, en donde la placa (15- 16) de circuito impreso de la matriz de células fotovoltaicas está acoplada directamente a un disipador térmico metálico (5) y fijada perimetralmente a una junta anular (23) de un material flexible, cuyo perímetro exterior está fijado sobre el borde perimétrico de una abertura a través de una pared de dicho cuerpo (3) de tipo caja, quedando sustentado de forma pivotante, el conjunto de la matriz de células y del disipador térmico metálico, por un pasador (22) que pasa a través de un agujero cruzando el ancho de dicho disipador térmico metálico (15), sustentado en los dos extremos por soportes fijados en la superficie externa de la pared del cuerpo (3) de tipo caja; un soporte interior (25), conectado a un borde del sustrato (18) de la placa de circuito impreso de la matriz de células es desplazable a lo largo de un pasador roscado (26) para modificar el ángulo de inclinación de la matriz de células contenida por la placa de circuito impreso sustentada de forma articulada.   EP 2141748 E09163201 16-11-2011   11 EP 2141748 E09163201 16-11-2011   12 EP 2141748 E09163201 16-11-2011   13 EP 2141748 E09163201 16-11-2011   14 EP 2141748 E09163201 16-11-2011