MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE TIPO CONCENTRADOR (CPV), RECEPTORES Y SUB-RECEPTORES Y MÉTODOS PARA FORMAR LOS MISMOS.

Los módulos fotovoltaicos de tipo concentrador (CPV) comprenden una placa base que tiene sobre la misma una matriz de células solares de 1 mm2 o más pequeñas.

También se proporciona una red de interconexión de panel posterior sobre la placa base. Esta red de interconexión de panel posterior funciona para conectar eléctricamente la matriz de células solares. También hay una placa frontal, que está separada de la placa base. Esta placa frontal incluye una matriz de lentes principales sobre la misma que están enfrentadas a la matriz de células solares. La placa frontal está configurada para proporcionar a la matriz de células solares una concentración lente-a-célula de más de 1000X. Para conseguir esta concentración de luz lente-a-célula de 1000X, las lentes principales puede configurarse como lentes plano-convexas con una curvatura de lente de menos de 4 mm. Se puede proporcionar también una matriz de elementos ópticos secundarios, que se extiende entre la matriz de lentes principales y la matriz de células solares.

Módulos fotovoltaicos de tipo concentrador (CPV) , receptores y sub-receptores y métodos para formar los mismos.

Referencia a solicitudes prioritarias Esta solicitud reivindica prioridad de las solicitudes provisionales estadounidenses números 61/151, 073, presentada el 9 de febrero de 2009; 61/151, 083, presentada el 9 de febrero de 2009; y 61/166, 513, presentada el 3 de abril de 2009, cuyas descripciones se incorporan al presente documento por referencia.

Campo de la invención Los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) concentran la luz solar sobre una superficie fotovoltaica para conseguir generación de energía eléctrica. Los sistemas CPV se montan frecuentemente sobre seguidores solares para mantener el punto focal de la luz sobre las superficies fotovoltaicas a medida que el sol se mueve por el cielo. Un primer ejemplo de un sistema CPV utilizaba lentes Fresnel acrílicas para enfocar la luz sobre unas células solares de silicio refrigeradas por agua y un seguidor de dos ejes. Otros ejemplos de sistemas CPV utilizaban lentes Fresnel híbridas de silicio-vidrio y sumideros pasivos de calor para la refrigeración de la célula solar.

Las propiedades de los semiconductores permiten que las células solares funcionen de un modo más eficiente en sistemas de luz concentrada, siempre que la temperatura de la unión de la célula se mantenga lo suficientemente baja utilizando sumideros de calor. El modo de funcionamiento más efectivo de los sistemas CPV se produce cuando reciben luz directa, ya que la luz difusa provocada por condiciones nubosas frecuentemente no se puede concentrar lo suficiente.

Los sistemas CPV presentan ventajas sobre las células solares convencionales de panel plano debido a que los colectores solares CPV son típicamente menos caros que el área equivalente de células solares. Se intenta que los elementos de un sistema CPV (colector solar y seguidor) tengan un precio bastante por debajo de 3$/vatio, mientras que los paneles planos de silicio se venden comúnmente a 3$-5$/vatio.

Los sistemas CPV de baja concentración típicamente tienen niveles de concentración de 2-100 soles. Por motivos económicos se utilizan típicamente células solares de silicio convencionales o modificadas y, a estas concentraciones, el flujo de calor es lo suficientemente bajo, de modo que no es necesario refrigerar activamente las células. Las leyes de la óptica dictan que un colector solar con una baja relación de concentración puede tener un ángulo de aceptación elevado. En consecuencia, los sistemas CPV de baja concentración típicamente no requieren un seguimiento solar activo. Los sistemas CPV de concentración media, que típicamente tienen niveles de concentración solar de 100 a 300 soles, requieren seguimiento solar y refrigeración. Los sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV) emplean óptica de concentración consistente en reflectores solares o lentes fresnel que concentran la luz del sol hasta intensidades de 300 soles o más. Las células solares de estos sistemas HCPV típicamente requieren sumideros de calor de alta capacidad para evitar la destrucción térmica y para gestionar las pérdidas de rendimiento relacionadas con la temperatura. Las células solares de unión múltiple se prefieren actualmente sobre las células solares de silicio, ya que típicamente son más eficientes. Aunque el coste de las células solares de unión múltiple puede ser 100x de las células de silicio convencionales, el coste de la célula es típicamente sólo una pequeña fracción del coste de todo el sistema CPV, lo que significa que la economía del sistema frecuentemente puede favorecer el uso de células de unión múltiple.

Sumario de la invención Los métodos para formar receptores fotovoltaicos de tipo concentrador (CPV) de acuerdo con algunas realizaciones de la invención incluyen formar una célula solar y un soporte de lente con auto-centrado sobre un sustrato. El soporte de lente con auto-centrado está formado preferiblemente para tener una abertura en el mismo que expone una superficie de recepción de luz de la célula solar. También se forma una lente esférica sobre el soporte de lente con auto-centrado, opuesta a la superficie de recepción de luz de la célula solar. De acuerdo con algunas de estas realizaciones de la invención, la lente esférica es sellada a la abertura del soporte de lente con auto-centrado. Preferiblemente, el sellado es un sellado hermético. La operación de sellado puede incluir el recocido de la lente esférica y el soporte de lente con auto-centrado a una temperatura dentro de un rango desde aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 350ºC. Este recocido de la lente y el soporte de la lente puede llevarse a cabo en un ambiente químicamente inerte. Algunos ejemplos de ambientes químicamente inertes incluyen ambientes de nitrógeno y/o argón, que pueden estar libres de oxígeno.

De acuerdo con realizaciones adicionales de la invención, el paso de formar el soporte de lente con auto-centrado es precedido por un paso de formar un par de interconexiones eléctricas sobre la superficie de recepción de luz de la célula solar. El paso de formar el soporte de lente con auto-centrado puede incluir entonces depositar el soporte de lente con auto-centrado sobre el par de interconexiones eléctricas. Este soporte de lente con auto-centrado puede tener forma de anillo. De acuerdo con otras realizaciones de la invención, el paso de formar una lente esférica sobre el soporte de lente con auto-centrado puede ser precedido por la formación de una estructura de sellado con forma de anillo, que rodea el soporte de lente con auto-centrado, sobre el sustrato. El diámetro de la estructura de sellado con forma de anillo puede ser mayor que el diámetro del soporte de lente con auto-centrado. La estructura de sellado con forma de anillo está típicamente dispuesta concéntricamente con relación al soporte de lente con autocentrado. Basándose en estas realizaciones de la invención, un receptor fotovoltaico de tipo concentrador (CPV) puede incluir una célula solar y un soporte de lente con forma de anillo con auto-centrado que tiene una abertura en el mismo, que expone una superficie de recepción de luz del, sobre el sustrato. Una lente, que está dispuesta sobre el soporte de lente con auto-centrado, se extiende opuesta a la superficie de recepción de luz.

Un módulo fotovoltaico de tipo concentrador (CPV) de acuerdo con realizaciones adicionales de la invención puede incluir una placa base que tiene sobre la misma una matriz de células solares de 1 mm2 o más pequeñas. Estas células pueden tener grosores menores que aproximadamente 20 μm. También se proporciona una red de interconexión de panel posterior sobre la placa base. Esta red de interconexión de panel posterior funciona para conectar eléctricamente la matriz de células solares. También hay una placa frontal, que está separada de la placa base. Esta placa frontal incluye una matriz de lentes principales sobre la misma que están enfrentadas a la matriz de células solares. En particular, la placa frontal está configurada para proporcionar a la matriz de células solares una concentración lente-a-célula de más de 1000X. Para conseguir esta concentración de luz lente-a-célula de 1000X, las lentes principales pueden configurarse como lentes plano-convexas con una curvatura de lente de menos de 4 mm. En particular, las lentes se pueden configurar para que tengan una curvatura de lente definida por la siguiente relación:

Curvatura = f (n – 1) – ( (f (n – 1) ) 2 – (½d) 2) ½,

donde f es la longitud focal de las lentes, n es el índice de refracción de las lentes y d es el diámetro de las lentes.

De acuerdo con otras realizaciones preferidas de la presente invención, se puede proporcionar una matriz de elementos ópticos secundarios. Cada uno de los elementos ópticos secundarios se monta próxima a una superficie de recepción de luz de una célula solar correspondiente. En particular, cada uno de los elementos ópticos secundarios puede estar configurado para que tenga un centro-de-masa sustancialmente alineado con un centro de las superficies de recepción de una célula solar correspondiente. Estos elementos ópticos secundarios pueden ser lentes ópticas con un diámetro de menos de alrededor de 5 mm. De acuerdo con realizaciones adicionales de la invención, son suficientes un tamaño, forma, composición y ubicación de los segundos elementos ópticos con relación a la matriz de células solares para, en combinación, aumentar el ángulo de aceptación del módulo CPV con relación a un módulo equivalente en lo demás pero sin la matriz de elementos ópticos secundarios.

Realizaciones adicionales de la invención incluyen...

1. Un módulo fotovoltaico de tipo concentrador (CPV) , que comprende:

una placa base que tiene una matriz de células solares de 1 mm2 o más pequeñas sobre la misma:

una red de interconexión de panel posterior que conecta eléctricamente la matriz de células solares, en dicho panel posterior; y

una placa frontal separada de dicha placa base, teniendo dicha placa frontal una matriz de lentes principales sobre la misma que están orientadas hacia la matriz de células solares y proporcionan una concentración de luz lente-a-célula mayor de 1000X a la matriz de células solares.

2. El módulo CPV de la reivindicación 1, donde las lentes principales son lentes plano-convexas que tienen una curvatura de menos de 4 mm.

3. El módulo CPV de la reivindicación 2, donde la curvatura de lente de las lentes plano-convexas está definida por la siguiente relación:

curvatura = f (n – 1) – ( (f (n – 1) ) 2 – (½d) 2) ½

donde f es la longitud focal de las lentes, n es el índice refractivo de las lentes y d es el diámetro de las lentes.

4. El módulo CPV de la reivindicación 1, donde las células solares tienen un grosor de menos de alrededor de 20

μm.

5. El módulo CPV de la reivindicación 1, que además comprende una matriz de elementos ópticos secundarios que se extiende entre la matriz de lentes principales y la matriz de células solares.

6. El módulo CPV de la reivindicación 5, donde cada uno de los elementos ópticos secundarios está montado cerca de una superficie de recepción de luz de una célula solar correspondiente.

7. El módulo CPV de la reivindicación 6, donde cada uno de los elementos ópticos secundarios tiene un centro de masa sustancialmente alineado con un centro de las superficies de recepción de una célula solar correspondiente.

8. El módulo CPV de la reivindicación 7, donde los elementos ópticos secundarios son lentes esféricas que tienen un diámetro de menos de alrededor de 5 mm.

9. El módulo CPV de la reivindicación 8, donde un tamaño, forma, composición y ubicación de los elementos ópticos secundarios con relación a la matriz de células solares son suficientes, en combinación, para aumentar un ángulo de aceptación del módulo CPV con relación a un módulo equivalente pero que no tiene la matriz de elementos ópticos secundarios.

10. El módulo CPV de la reivindicación 6, donde un tamaño, forma, composición y ubicación de los elementos ópticos secundarios con relación a la matriz de células solares son suficientes, en combinación, para aumentar un ángulo de aceptación del módulo CPV con relación a un módulo equivalente pero que no tiene la matriz de elementos ópticos secundarios.

11. Un módulo fotovoltaico de tipo concentrador (CPV) , que comprende:

una placa frontal que tiene una matriz de lentes principales sobre la misma;

una placa base que tiene una matriz de células solares sobre la misma que están enfrentadas a la matriz de lentes principales;

una matriz de elementos ópticos secundarios que se extienden entre la matriz de lentes principales y la matriz de células solares; y

un panel posterior que conecta eléctricamente la matriz de células solares, que se extiende entre dicha placa base y dicha matriz de células solares.

12. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde dicho plano posterior comprende unas primera y segunda redes de interconexión conectadas eléctricamente a los primero y segundo terminales de la matriz de células solares, respectivamente.

13. El módulo CPV de la reivindicación 11, que además comprende una pluralidad de diodos de protección contra sobretensiones que tiene terminales de cátodo conectados eléctricamente a la primera red de interconexión y terminales de ánodo conectados eléctricamente a la segunda red de interconexión.

14. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde dicha placa frontal tiene una primera superficie de recepción de luz sobre la misma; y donde cada uno de entre una pluralidad de lentes principales está configurada para concentrar la luz recibida en la primera superficie de dicha placa frontal en un elemento óptico correspondiente en dicha matriz de elementos ópticos secundarios.

15. Él módulo CPV de la reivindicación 14, donde cada uno de entre una pluralidad de elementos ópticos secundarios está configurado además para concentrar la luz recibida de la matriz de lentes principales en una superficie de recepción de luz de una célula solar correspondiente de la matriz de células solares.

16. El módulo CPV de la reivindicación 11, que además comprende un marco montado a dicha placa base, estando configurado dicho marco para soportar dicha placa frontal en una posición opuesta a la matriz de células solares.

17. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde dicha placa frontal y la matriz de lentes principales están configurados como una pieza contigua de material ópticamente transparente.

18. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde dicha placa frontal y la matriz de lentes principales están configurados como materiales compuestos ópticamente transparentes.

19. El módulo CPV de la reivindicación 18, donde la matriz de lentes principales está laminada o moldeada en una superficie interior de dicha placa frontal.

20. El módulo CPV de la reivindicación 14, donde dicha placa frontal y la matriz de lentes principales están configurados como un compuesto de materiales ópticamente transparentes; y donde la matriz de lentes principales está laminada o moldeada en una superficie interior de dicha placa frontal.

21. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde las lentes principales son lentes plano-convexas.

22. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde dicha red de interconexión de panel posterior comprende al menos una capa de metal.

23. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde dicha red de interconexión de panel posterior comprende una capa de cobre que tiene un grosor dentro del rango desde aproximadamente 10 μm hasta aproximadamente 50 μm.

24. El módulo CPV de la reivindicación 11, donde dicha red de interconexión de panel posterior comprende una primera capa de metal parcialmente liberado sobre una superficie principal de dicha placa base.

25. El módulo CPV de la reivindicación 24, donde la primera capa de metal parcialmente-liberado está configurada para funcionar como un sumidero de calor para la matriz de células solares.

26. El módulo CPV de la reivindicación 25, que además comprende una segunda capa de metal parcialmente liberado sobre una segunda superficie de dicha placa base que se extiende en una posición opuesta a la superficie principal de dicha placa base y funciona como un sumidero de calor para la placa base.

27. El módulo CPV de la reivindicación 15, donde cada uno de entre la pluralidad de elementos ópticos secundarios tiene una superficie convexa enfrentada una respectiva de entre la pluralidad de lentes principales y una superficie convexa enfrentada a una célula solar subyacente en la matriz de células solares.

28. Un método para formar un módulo fotovoltaico de tipo concentrador (CPV) , que comprende:

formar una placa frontal que tiene una matriz de lentes principales sobre la misma;

formar una placa base que tiene una matriz de células solares sobre la misma que están enfrentadas a la matriz de lentes principales;

formar una matriz de elementos ópticos secundarios que se extienden entre la matriz de lentes principales y la matriz de células solares; y

formar una red de interconexión de panel posterior que conecta eléctricamente la matriz de células solares entre sí, extendiéndose entre la placa base y la matriz de células solares.

29. El método de la reivindicación 28, donde dicho paso de formar una red de interconexión de panel posterior comprende depositar una capa de metal sobre una superficie principal de la placa base y luego formar un patrón en la capa metálica para conseguir un primer panel posterior conectado eléctricamente a unos primeros terminales de las células solares y un segundo panel posterior conectado eléctricamente a unos segundos terminales de las células solares.

30. El método de la reivindicación 29, donde el paso de depositar la capa de metal sobre la superficie principal está precedido por el paso de formar una capa de liberación eléctricamente aislante sobre la superficie principal; y donde el paso de formar el patrón en la capa de metal es seguido por un paso de quitar selectivamente

porciones de la capa de liberación eléctricamente aislante que se extiende entre el primer panel posterior y la superficie principal de la placa base.

31. Un método de montaje de módulos fotovoltaicos de tipo concentrador (CPV) , que comprende:

formar una matriz de células solares en ubicaciones separadas sobre una primera superficie de un primer sustrato;

formar patrones de interconexiones eléctricamente conductoras sobre terminales de la matriz de células solares y sobre la primera superficie;

dividir el primer sustrato en una pluralidad de sub-receptores que tienen células solares respectivas; y

fijar la pluralidad de sub-receptores a una placa base que tiene un panel posterior sobre la misma que está eléctricamente conectado a las interconexiones eléctricamente conductoras y los terminales de la matriz de células solares.

32. El método de la reivindicación 31, que además comprende testear la matriz de células solares en paralelo sobre el primer sustrato, antes de realizar dicha división del primer sustrato en una pluralidad de sub-receptores.

33. El método de la reivindicación 31, que además comprende testear la matriz de células solares sobre el primer sustrato, antes de realizar dicha división del primer sustrato en una pluralidad de sub-receptores.

34. El método de la reivindicación 31, donde dicho paso de fijar comprende fijar la pluralidad de sub-receptores al panel posterior monolítico utilizando un proceso de reflujo de soldadura que une los sub-receptores al panel posterior monolítico.

35. El método de la reivindicación 31, donde dicho paso de formar patrones es seguido de:

formar soportes de lente con auto-centrado sobre la matriz de células solares; y

sellar lentes secundarias con forma esférica a los soportes de lente con auto-centrado de modo que la luz recibida por cada una de las células solares pase a través de una lente secundaria con forma esférica correspondiente.

36. El método de la reivindicación 35, donde dicho paso de formar soportes de lente con auto-centrado comprende formar soportes de lente con auto-centrado sobre la matriz de células solares y las interconexiones eléctricamente conductoras.

37. El método de la reivindicación 35, donde dicho paso de formar soportes de lente con auto-centrado comprende formar anillos de sellado dispuestos concéntricamente con relación a los correspondientes soportes de lente con auto-centrado.

38. El método de la reivindicación 35, donde dicho paso de sellar las lentes secundarias con forma esférica a los soportes de lente con auto-centrado se lleva a cabo a la vez que la fijación de la pluralidad de sub-receptores a una placa base.

39. El método de la reivindicación 38, donde dicho paso de fijar comprende fijar la pluralidad de sub-receptores al panel posterior monolítico utilizando un proceso de reflujo de soldadura que une los sub-receptores al panel posterior monolítico.