MÓDULOS DE SISTEMA FOTOVOLTAICO DE CONCENTRACIÓN USANDO CÉLULAS SOLARES DE SEMICONDUCTORES III-V.

Un módulo de células solares para su uso en un sistema fotovoltaico de concentración que incluye una carcasa con un primer lado y un segundo lado opuesto y separado,

una pluralidad de lentes en el primer lado de la carcasa; y una pluralidad de receptores de células solares en el segundo lado de la carcasa, cada uno de los receptores de células solares estando dispuesto en el camino óptico de una de entre la pluralidad de lentes. Cada uno de los receptores incluye al menos un elemento óptico posicionado sobre una célula solar de compuestos semiconductores III-V multiunión, un diodo de derivación acoplado en paralelo con la célula solar, y un disipador de calor dispuesto bajo la célula solar y acoplado térmicamente a la célula solar.

MÓDULOS DE SISTEMA FOTOVOL TAlCO DE CONCENTRACiÓN USANDO

CÉLULAS SOLARES DE SEMICONDUCTORES III-V

Antecedentes Se usan células solares para convertir energía solar o radiante en electricidad. Históricamente, la energía solar (tanto en el espacio como en tierra) se ha proporcionado de forma predominante con células solares de silicio. En los últimos años, sin embargo, el alto volumen de fabricación de células solares de alta eficiencia a base de compuestos de semiconductores III-V multiunión ha permitido la consideración de esta tecnología alternativa para la generación de energía en tierra. Comparadas con las de Si, las células de compuestos semiconductores III-V multiunión son, en general, más resistentes a la radiación y tienen mayores rendimientos en la conversión de energía, aunque tienden a ser más caras. Algunas células de compuestos semiconductores III-V tienen un rendimiento energético que supera el 27%, mientras que, en general, las de tecnología de silicio solo alcanzan un rendimiento de aproximadamente el 17%. En concentración, algunas de las actuales células de compuestos semiconductores III-V multiunión tienen rendimientos energéticos que superan el 37%. Cuando lo más importante es generar alta potencia o montajes solares más pequeños en una nave espacial u otro sistema de energía solar, a menudo se usan células de compuestos semiconductores multiunión en lugar de, o en combinaciones híbridas con, células basadas en silicio para reducir el tamaño del montaje.

En general, las células de compuestos semiconductores multiunión son de polaridad n-en-p y están constituidas por compuestos de INGaP/ (ln) GaAs/Ge Se pueden hacer crecer capas de células solares de compuestos semiconductores III-V multiunión por medio de deposición química en fase vapor de compuestos metalorgánicos (MOCVD) sobre sustratos de Ge. Como sistema de células solares para aplicaciones terrestres tiene una tensión de salida que normalmente está en el intervalo de los cientos de voltios, y su corriente de salida está en el intervalo de las decenas de amperios. A estos niveles de potencia de salida, si los terminales de la célula solar no están protegidos, tienden a producirse descargas eléctricas incontrolables en forma de chispas, y esto puede causar daños a las células solares y a todo el sistema.

Breve descripción de la invención

La presente solicitud está dirigida a un módulo de células solares para convertir luz en electricidad. El módulo puede incluir una carcasa con un primer lado y un segundo lado separado y opuesto. Se puede colocar una pluralidad de lentes en el primer lado de la carcasa, y se puede colocar una pluralidad de receptores de células solares en el segundo lado de la carcasa. Cada uno de la pluralidad de receptores de células solares puede incluir una célula solar de compuestos semiconductores III-V multiunión. Cada uno puede también incluir un diodo de derivación acoplado con la célula solar. Se puede colocar al menos un elemento óptico sobre la célula solar para guiar la luz desde una de las lentes sobre la célula solar. Cada uno de dichos receptores de células solaes puede colocarse en el camino óptico de una de las lentes. La lente y el al menos un elemento óptico pueden concentrar la luz sobre la célula solar respectiva por un factor de 500 o más para permitir que la célula solar genere más de 15 vatios de potencia pico en CC a plena iluminación.

Breve descripción de las figuras La Figura 1 es una vista en perspectiva de una implementación de un módulo de células solares. La Figura 2 es una vista en perspectiva de una implementación de un elemento óptico secundario. La Figura 3 es una vista en perspectiva en despiece parcialmente ordenado de una implementación de un receptor de células solares.

La Figura 4 es una perspectiva en despiece parcialm¡9nte ordenado que ilustra la célula solar y el sustrato cerámico metalizado de la Figura 3 con más detalle.

La Figura 5 es una vista en sección a lo largo de la línea X-X' de la Figura 3, de la célula solar, el sustrato cerámico metalizado y el disipador de calor

Realización preferente de la invención La Figura 1 ilustra una implementación de un módulo de células solares 200 que comprende una matriz de lentes 210 Y los receptores de células solares correspondientes 300. Cada una de las lentes 210 está alineada con uno de los receptores de células solares 300. El módulo de células solares 200 puede incluir diversos números de lentes 210 y receptores de células solares 300. La Figura 1 incluye un módulo 200 con 15 lentes 210 Y receptores de célula solare 300 alineados en una matriz de 3 x 5.

Las lentes 210 están formadas sobre una plancha 211 de material óptico (por ejemplo, acrílico) . En algunas implementaciones, las zonas de la plancha 211 no formadas como lentes 210 está fabricadas en forma parcial o totalmente opaca. Formando las lentes 210 a partir de una plancha continua 211 se pueden disminuir sustancialmente los costes. En primer lugar, al producir las lentes 210 sobre planchas grandes se disminuyen los costes de producción. En segundo lugar, los costes de montaje disminuyen porque sólo hay que linear un elemento (esto es, la plancha 211 de lentes) con los receptores de célula solar 300.En esta implementación, · la plancha 211 descansa encima de un marco de alineación 221 de una carcasa 220.

Se pueden disponer una o más aberturas de ventilación 228 para facilitar el flujo de aire a través de la carcasa 200. En una forma de realización, las aberturas 228 están posicionadas en las paredes laterales de la carcasa 220 y aproximadamente 7, 62 cm por debajo de las lentes 210. El tamaño de las aberturas 228 puede variar. En una forma de realización, cada abertura tiene forma circular con un diámetro de aproximadamente 2, 54 cm. Se puede extender una cubierta 229 a través de la aberturas 228 y que actúe como un filtro para impedir la introducción de humedad y suciedad en la carcasa 220. La cubierta 229 puede construirse con una diversidad de materiales, incluidos, entre otros, GORETEX, nailon y polivinilideno.

El marco 221 puede incluir una pluralidad de elementos de alineación de marco, tales como agujeros. Los elementos de alineación pueden estar roscados o adaptados de otra manera para recibir un elemento de sujeción. La plancha 211 puede incluir elementos de alineación de plancha, tales como pasadores, tornillos u otros elementos que se alinean y acoplan a los elementos de alineación del marco. Los elementos de alineación del marco y

. los elementos de alineación de la plancha están situados de tal forma que acoplando los elementos de alíneación de la plancha con los elementos dé alineación del marco, cada una de las lentes 210 está alineada con el receptor de célula solar correspondiente 300. Los elementos de alineación se localizan generalmente en un punto central definido por cuatro de las lentes 210. En una forma de realización, un elemento de alineación está situado en un punto central definido por las lentes 210a, 210b, 210c y 210d. Otro elemento de alineación puede estar situado en un punto central defínido por otras cuatro . lentes 210. Este patrón de localizar los elementos de alineación en un punto central definido por cuatro lentes puede continuar a todo lo largo de toda la plancha 211.

En algunas implementaciones, la superficie 222 de la carcasa 220

comprende dispositivos de alineación que aseguran que cada uno de los receptores de células solares 300 está situado en una posición predeterminada. Estos dispositivos pueden acoplarse en cada uno de los receptores de célula solar 300.

En algunas implementaciones, cada una de las lentes 210 es una lente Fresnel de vidrio, disponible comercialmente de diversos fabricantes. El receptor de célula solar 300 correspondiente está situado en la superficie 222 en un extremo opuesto de la carcasa 220. Cada uno de los receptores de células solares 300 incluye una célula solar 310 correspondiente dispuesta en el camino óptico de la lente 210 correspondiente, esto es, de forma que la célula solar 310 correspondiente recibe luz que pasa a través de la correspondiente lente 210. En algunas implementaciones se utilizan elementos ópticos adicionales para colocar la célula solar en el camino óptico de la lente. Por ejemplo, elementos ópticos secundarios 400 se corresponden con cada par de receptores de células solares 300 y con las lentes 210. Los elementos ópticos secundarios 400 recogen la luz de la lente 210 y la dirigen a la célula solar 310 del receptor de célula solar 300. En algunas implementaciones, cada uno de los receptores de células solares 300 está dotado del elemento óptico secundario 400 correspondiente.

1. Un módulo de células solares para un sistema fotovoltaico de concentración que comprende: una carcasa que comprende un primer lado y un segundo lado opuesto y separado; una pluralidad de lentes en el primer lado de la carcasa; una pluralidad de receptores de célula solar en el segundo lado de la carcasa, estando cada uno de la pluralidad de los receptores de célula solar, dispuesto en el camino óptico de la respectiva lente incluida en la pluralidad de lentes, del primer lado de la carcasa comprendiendo cada receptor:

una célula solar de compuestos semiconductores III-V multiunión incluyendo una primera superficie y una segunda superficie; un diodo de derivación acoplado en paralelo con la célula solar; un disipador de calor situado debajo de la segunda superficie de la célula solar térmicamente acoplada a la célula solar; y al menos un elemento óptico posicionado por encima de la primera superficie para guiar la luz a la célula solar.

2. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que al menos un elemento óptico está situado en el camino óptico formado entre una lente y la célula solar correspondiente, e incluye un elemento óptico secundario hueco dispuesto en el camino óptico que incluye una abertura de entrada encarada alejada de la célula solar para recibir la luz y una abertura de salida encarada hacia la célula solar para dirigir la luz hacia la célula solar, con el elemento óptico secundario incluyendo una forma de sección decreciente siendo la abertura de entrada mayor que la abertura de salida.

3. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en la que al menos un elemento óptico incluye un concentrador sólido de vidrio dispuesto dentro del camino óptico y que incluye una entrada óptica encarada respecto a la célula solar y una salida óptica encarada hacia la célula solar, incluyendo el concentrador una forma de sección decreciente con la entrada óptica mayor que la salida óptica.

4. El módulo de células solares de la reivindicación 3, en el que el concentrador sólido de vidrio tiene un poder de concentración de 2X.

5. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de lentes del primer lado de la carcasa son lentes de vidrio Fresnel dispuestas en una matriz de 3 x 5.

6. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la carcasa y la pluralidad de lentes forman un interior cerrado con la célula solar dispuesta dentro del interior cerrado.

7. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de lentes está construida como una plancha de lentes unificada que se extiende a través del primer lado de la carcasa.

8. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que el receptor incluye un sustrato cerámico con superficies superior e inferior metalizadas, con la célula solar y el diodo de derivación montados en la superficie superior del sustrato y estando el disipador de calor montado en la superficie inferior del sustrato.

9. El módulo de células solares de la reivindicación 8, en el que el disipador de calor está unido a la superficie inferior metalizada del sustrato cerámico por medio de un adhesivo epoxi con cargas metálicas, y que incluye una estructura extruida en una sola pieza de aluminio incluyendo una placa plana que tiene un lado superior directamente contiguo al sustrato, y un lado inferior con una pluralidad de aletas más planas que radian desde una línea que se extiende a lo largo del centro del lado inferior.

10. El módulo de células solares de la reivindicación 2, en el que el elemento óptico secundario está asegurado al disipador de calor con un soporte.

11. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que el receptor incluye un sustrato cerámico con una primera y segunda trazas conductoras separadas, estando la primera traza conductora está acoplada a un contacto superior de la célula solar, y una segunda traza

conductora estando directamente acoplada al contacto inferior de la célula solar.

12. El módulo de células solares de la reivindicación 1, que además comprende una pluralidad de aberturas cubiertas en la carcasa para facilitar el flujo de aire a través de la carcasa.

13. El módulo de células solares de la reivindicación 11, que además comprende un primer terminal de salida metálico montado en, y eléctricamente conectado a, la primera traza conductora, y un segundo terminal de salida metálico montado en, y eléctricamente conectado a, la segunda traza conductora.

14. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que el elemento óptico incluye un elemento óptico secundario hueco dispuesto dentro del camino óptico incluyendo una abertura de entrada encarada respecto a la célula solar para recibir la luz, una abertura de salida encarada hacia la célula solar para dirigir la luz hacia la célula solar, incluyendo el elemento óptico secundario una forma de sección decreciente con su abertura de entrada mayor que su abertura de salida; y

un concentrador sólido de vidrio que incluye una entrada óptica en la abertura de salida del elemento óptico secundario, incluyendo el concentrador una forma de sección decreciente con su entrada óptica mayor que su salida óptica que está directamente adyacente a, y encarado hacia, la célula solar.

15. El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la célula solar está compuesta por compuestos de InGaP/ (ln) GaAs III-V sobre un sustrato de Ge.

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