DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO CON UN SISTEMA OPTICO DE CONCENTRADOR.

El invento se refiere a un dispositivo fotovoltaico con un sistema óptico de concentrador.

El dispositivo fotovoltaico comprende

- por lo menos una celda solar (7) y

- un sistema óptico de concentrador,

comprendiendo el sistema óptico de concentrador

- por lo menos un primer elemento óptico enfocador (3), situado en el lado de entrada de entrada de la luz, y

- por lo menos un segundo elemento óptico (3) conectado detrás del primer elemento óptico situado en el lado de entrada de la luz y conectado delante de la celda solar (7), sobre el cual, en la posición de funcionamiento del dispositivo fotovoltaico (1), la irradiación solar incide de una manera agrupada en haz por el primer elemento óptico (3). El segundo elemento óptico (5) comprende un vidrio de silicato estabilizado en cuanto a la solarización.

Dispositivo fotovoltaico con un sistema óptico de concentrador El invento se refiere en términos generales al sector de las disposiciones fotovoltaicas de generación de energía. En particular, el invento se refiere a 5

instalaciones fotovoltaicas con sistemas ópticos de concentradores.

Con el fin de disminuir los costos de inversión, que siguen siendo todavía altos, para instalaciones fotovoltaicas se pasa por diferentes rutas. Una ruta está situada en el desarrollo de celdas solares más baratas. Por ejemplo, se buscan unos materiales con los cuales las celdas solares de capa delgada se puedan producir de un modo 1O más barato y con un rendimiento más alto. En general, se puede decir, sin embargo, que las celdas de capa delgada, producibles a un precio más barato, no llegan en S>l.l rendimiento a unas celdas más caras, en particular las monocristalinas.

Otra ruta consiste en emplear unas celdas solares altamente eficientes, que disminuyen los costos de producción pero entonces mediante sistemas ópticos de 15 concentradores, puesto que con un sistema óptico de concentrador solamente se tie¡:¡b

que ocupar con celdas solares una pequeña fracción del área de superficie iluminada.

El sistema fotovoltaico de concentrador persigue los siguientes objetivos: un ahorro de material semiconductor mediante el empleo de un concentrador óptico y ur-~a elevación del rendimiento mediante el empleo de unas celdas solares altamente eficientes, tales como por ejemplo las celdas solares triples sumamente eficientes. e~ empleo del concentrador óptico hace necesaria por consiguiente la puesta a disposición de unas piezas componentes ópticas especiales.

Resulta desventajoso en el caso de los sistemas ópticos de concentradores -e~ hecho de que aquí se emplean unos elementos ópticos adicionales, que deberían ssr 25 estables a largo plazo, con el fin de evitar una disminución innecesaria ere~ rendimiento. Entre otras cosas, mediante la irradiación solar propiamente dicha se pueden modificar las propiedades ópticas de los elementos. Este problema aparece en particular también cuando se utiliza un sistema óptico con varios elementos conectados unos tras de otros, siendo irradiados con una luz solar concentrada el o los elemento (s) dispuesto (s) detrás en la trayectoria de los rayos o respectivamente dispuestos más cerca de la celda solar. El invento se basa por lo tanto en la misión de mejorar los dispositivos fotovoltaicos en general en lo que se refiere a su estabilidad a largo plazo. El invento se puede emplear para todos los elementos transmisores de luz de 35 un dispositivo fotovoltaico. En especial, el invento es apropiado allí donde, a causa de

altas intensidades de rayos UV, con los vidrios habituales son de esperar unas

mermas de la transmisión en los vidrios mediante la irradiación con luz UV.

En particular, de acuerdo con un aspecto adicional del invento, se debe poner a

disposición un sistema óptico secundario, que solo tenga una tendencia pequeña y

5 estacionaria a la solarización y por lo tanto sea apropiado óptimamente para su

empleo como sistemas ópticos secundarios en un dispositivo fotovoltaico de

concentrador.

Para el dispositivo conforme al invento, se prefiere el siguiente principio

constructivo general: un sistema óptico primario enfoca la luz solar sobre la celda. Con

1O el fin de remediar los errores ópticos de este sistema óptico primario y poner a

disposición unas tolerancias lo más grandes que sean posibles para la fabricación y la

orientación mecánica del sistema de acuerdo con el nivel actual y real del sol, e~

previsto todavía un sistema óptico secundario que se encuentra directamente delante

de la celda.

15 El sistema óptico primario es de manera preferida refractivo (lente de Fresnal) o

reflectivo (espejo parabólico) . Como el sistema óptico secundario se prefiere

especialmente un conductor de luz que no reproduce (en inglés "lightpipe") . Es:t~

último elemento debe de ser altamente transparente en la región de solapamiento del

espectro solar terrestre y de las curvas de sensibilidad de los habituales.

20 semiconductores 111-V, tal como por ejemplo de una celda triple. La región ae

solapamiento reseñada se extiende desde 300 nm a 1.900 nm, y por lo tanto, junto a la

región visual abarca también el infrarrojo próximo y el ultravioleta próximo.

Las piezas componentes que se han de producir, así como los materiales

empleados para el acoplamiento, deben poder resistir la carga por medio de un altO.

25 aumento de la concentración de la luz solar, por ejemplo hasta en 2.500 vece'S,

incluyendo la parte situada en el UV próximo.

Una intensa radiación de luz UV puede conducir en vidrios ópticos, sin

embargo, a la formación de centros de defectos, que reduce la transmisión, entre otras

cosas, junto a la arista de UV. Este efecto es designado como solarización. Cuanto

30 mayor es esta pérdida de transmisión tanto mayor es correspondientemente también

la pérdida de potencia en la celda solar.

La solarización de vidrios mediante una radiación de UV era relevante hasta

ahora sobre todo en la microlitografía.

En la litografía en línea i, en el caso de una irradiación con una luz que tiene

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múltiples, que han sido estabilizados en cuanto a la solarización especialmente para la línea i.

En relación con la carga que allí aparece, el empleo en un dispositivo fotovoltaico de concentrador es de nuevo esencialmente más provocador. El ensayo de solarización, que es usual para materiales para la línea i, consiste típicamente en una carga, que dura 15 h, con una lámpara UV, que lanza sobre la muestra una potencia de radiación de aproximadamente 2.000 W/m2.

Sin ningún aumento de la concentración, la potencia superficial de la luz solar que incide sobre la tierra en Alemania es hasta de aproximadamente 1.000 W/m2 en el caso de un aumento de la concentración en el factor de 2.500, lo que corresponde a 2.500.000 W/m2. De éstos corresponden aproximadamente 50.000 W/m2 a la región dé UV de 300-400 nm. Esta estimación se basa en la suposición de un radiador negr.o con una temperatura cromática de 5. 760 °K para la luz solar. En países más meridionales se establecen todavía unos valores más altos. Así, en África del Norte s~· alcanza una potencia superficial de aproximadamente 2.200 W/m2 ya sin ning~n aumento de la concentración.

El valor que se establece para la región de 300-400 nm fue de nue\7º quintuplicado, con el fin de tomar en cuenta la absorción atmosférica especialmeni:e alta en la región de UV. Esto corresponde aproximadamente al espectro normaliza~o "AM1.5d Jow aod", que contiene aproximadamente 2, 2 % de UV-A. En la anteridr estimación se tomó en consideración solamente la parte de UV a partir de 300 nm, puesto que se supuso un blindaje del sistema óptico primario por medio de una lul) a de vidrio que absorbe por debajo de 300 nm. La carga no dura entonces, sin embargp 15 horas, como el ensayo para sistemas ópticos de litografía, sino que se exigen uno& períodos de tiempos de servicio que típicamente son por lo menos de 20 años.

Para la resolución del problema planteado por esta misión, el invento prevé ún· dispositivo fotovoltaico con por Jo menos una celda solar y

un sistema óptico de concentrador, comprendiendo el sistema óptico de concentrador

por lo menos un primer elemento óptico enfocador, situado en el lado de entrada de la luz, y

la radiación solar agrupada en haz mediante el primer elemento óptico,

comprendiendo el segundo elemento óptico por lo menos un vidrio estabilizado en

cuanto a la solarización, o respectivamente pobre en solarización, preferiblemente un

vidrio de silicato estabilizado en cuanto a la solarización, o respectivamente pobre en

5 solarización. Como un vidrio estabilizado en cuanto a la solarización se designa en tal

caso en el sentido del invento en particular a un vidrio que, independientemente de la

potencia de UV irradiada, muestra una saturación del efecto de solarización,

realizándose que la transmisión, en el caso de una solarización saturada en

comparación con un vidrio no irradiado, disminuye en a lo sumo 0, 03 promediada a lo

1 O largo de la región de longitudes de onda situada entre...

1. Dispositivo fotovoltaico (1) con

por lo menos una celda solar (7) y

5 un sistema óptico de concentrador,

comprendiendo el sistema óptico de concentrador

por lo menos un primer elemento óptico (3) enfocador, situado en el lado de

entrada de la luz, y

por lo menos un segundo elemento óptico (5) conectado detrás del primer

1O elemento óptico situado en el lado de entrada de la luz y conectado delante de la ceiC:ta

solar (7) , sobre el cual en la posición de funcionamiento del dispositivo fotovoltaico (1)

la radiación solar incide de una manera agrupada en haz por el primer elemento óptico

(3) , comprendiendo el segundo elemento óptico (5) un vidrio de silicato estabilizado en

cuanto a la solarización.

15 2. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente,

mostrando el vidrio de silicato, independientemente de la potencia de UV irradiada, -

una saturación del efecto de solarización, disminuyendo la transmisión en el caso de

una solarización saturada, en comparación con un vidrio no irradiado, en a lo sun1Q

0, 03 promediada a lo largo de la región de longitudes de onda entre 300 y 400

20 nanómetros.

3. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones.

precedentes, caracterizado porque el vidrio de silicato contiene un óxido de titanio e;n

una proporción de por lo menos 0, 005 por ciento en peso sobre la base de los óxidos.

4. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente,

25 caracterizado porque el vidrio de silicato estabilizado en cuanto a la solarización, es un

vidrio de borosilicato, con los siguientes componentes en tantos por ciento en peso

sobre la base de los óxidos:

Si0.

65. 85 por ciento en peso,

820.

7. 15 por ciento en peso,

30 AI203 O -1 O por ciento en peso,

Na2.

2. 13 por ciento en peso,

K20 O -11 por ciento en peso,

Cs20 O -11 por ciento en peso,

MgO O -0, 5 por ciento en peso,

35 Ca O O-3 por ciento en peso,

S rO O-0, 5 por ciento en peso, BaO O-6 por ciento en peso, Ti02 0, 005-1, 5 por ciento en peso, Zr02 O-0, 5 por ciento en peso,

Ce02 O-3 por ciento en peso, F O-0, 6 por ciento en peso.

5. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque el vidrio contiene los siguientes agentes de afinamiento en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos:

1O NaCI O -2 por ciento en peso, As203 O-0, 02 por ciento en peso, Sb203 O -1 por ciento en peso.

6. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el vidrio del segundo componente óptico está libFe o por lo menos ampliamente libre de componentes polivalentes, estando contenidos en el vidrio el óxido de hierro, el óxido de cobalto, el óxido de cromo, el óxido de cobre y el óxido de manganeso en cada caso en menos que 4 ppm, de manera preferida en menos que 3 ppm, de manera especialmente preferida en menos que <2 ppm.

7. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, conteniendo el vidrio adicionalmente los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos: Li20 O-2 por ciento en peso, PbO O-2 por ciento en peso, Sn02 O-1 por ciento en peso,

wo3 O -0, 5 por ciento en peso, Bi203 O-0, 5 por ciento en peso.

8. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico es un conductor de luz, que conduce a la luz agrupada en haz por el primer elemento óptico hacia un lado de entrada de la luz (51) del conductor de ·luz, hacia el lado de salida de la luz (52) .

9. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque el segundo elemento óptico comprende un conductor de luz en forma de una barra con una sección transversal poligonal o de una plancha.

1O. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las dos reivindicaciones 35 precedentes, caracterizado porque el conductor de luz es por lo menos 1, 5 veces, preferiblemente por lo menos 2, 5 veces, más largo que la más pequeña dimensión lateral de la sección transversal de la superficie de salida de la luz (52) .

11. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico abarca un vidrio de plomo y silicato, que contiene los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos:

Si02 31 -55 por ciento en peso,

PbO 15 -65 por ciento en peso,

AI203 O-8 por ciento en peso,

Na20 O, 1 -9 por ciento en peso,

K20 1 -13 por ciento en peso,

BaO O-17 por ciento en peso,

ZnO O-11 por ciento en peso,

así como agentes de afinamiento, preferiblemente As203 O-0, 2 por ciento en peso, Sb20 3 O-1 por ciento en peso.

12. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico comprende un vidriQ que contiene los siguientes componentes en tantos por ciento en peso sobre la base de los óxidos: Si0.

65. 75 por ciento en peso, B203 O-3 por ciento en peso, AI203 O-7 por ciento en peso, Na2.

5. 16 por ciento en peso, K20 0, 5-12 por ciento en peso, MgO O-7 por ciento en peso, Ca.

2. 1 O por ciento en peso, BaO 0, 5-7 por ciento en peso, ZnO 0, 5-7 por ciento en peso, Ti02 O-1, 5 por ciento en peso, As203 O-0, 2 por ciento en peso, Sb203 O -1 por ciento en peso,

13. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el segundo elemento óptico está estructurado como una pieza prensada de vidrio.

14. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo está establecido para calentar el vidrio de silicato a una temperatura de por lo menos 1 00°C.

15. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 precedentes, caracterizado por una celda solar triple.

16. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el vidrio de silicato presenta un período de tiempo de relajación de la solarización de menos que 3 horas a una temperatura situada en un intervalo de 200°C a 400°C.

17. Dispositivo fotovoltaico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la densidad de defectos inducible por luz UV en ei vidrio de silicato es menor que 3 x 1018 cm-3.

18. Utilización de un vidrio con una composición de acuerdo con una de la·~

reivindicaciones 4, 11 o 12 para elementos concentradores de dispositivos 15 fotovoltaicos.