DISPOSITIVO DE CONCENTRACIÓN SOLAR, PANEL FOTOVOLTAICO E INVERNADERO QUE LO INCLUYEN.
Dispositivo de concentración solar, panel fotovoltaico e invernadero que lo incluyen.
Dispositivo de concentración solar caracterizado porque comprende un sustrato (4) transparente o semitransparente, un recubrimiento de cristal fotónico (2), al menos una célula fotovoltaica (1A, ...1D) dispuesta sobre el sustrato (4), con la superficie activa de la al menos una célula fotovoltaica dispuesta paralela al sustrato (4), y una capa de material luminiscente (3) dispuesta en contacto con el recubrimiento de cristal fotónico (2), en donde o bien el recubrimiento de cristal fotónico (2) está dispuesto sobre el sustrato (4) y la capa de material luminiscente (3) está dispuesta sobre el recubrimiento de cristal fotónico (2), o bien la capa de material luminiscente (3) está dispuesta sobre el sustrato (4) y el recubrimiento de cristal fotónico (2) está dispuesto sobre la capa de material luminiscente (3).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331748.
Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: MIGUEZ GARCIA,HERNAN RUY, DELGADO SÁNCHEZ,José María, SÁNCHEZ-CORTEZÓN,Emilio, CALVO ROGGIANI,Mauricio Ernesto, SANCHO MARTÍNEZ,Diego, JIMÉNEZ SOLANO,Alberto.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- A01G9/14 NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA. › A01 AGRICULTURA; SILVICULTURA; CRIA; CAZA; CAPTURA; PESCA. › A01G HORTICULTURA; CULTIVO DE HORTALIZAS, FLORES, ARROZ, FRUTOS, VID, LÚPULO O ALGAS; SILVICULTURA; RIEGO (recolección de frutas, verduras, lúpulo o productos similares A01D 46/00; crecimiento de algas unicelulares C12N 1/12). › A01G 9/00 Cultivo en recipientes, camas o invernaderos (de setas A01G 18/00; cultivo sin suelo A01G 31/00 ); Bordes para bancales, zona de césped o similares. › Invernaderos (campanas A01G 13/04).
- H01L31/048 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › encapsulados de modulos.
- H01L31/054 H01L 31/00 […] › Elementos ópticos directamente asociados o integrados en la célula fotovoltaica, p. ej. medios que reflejan la luz o medios concentradores de luz.
Fragmento de la descripción:
Dispositivo de concentración solar, panel fotovoltaico e invernadero que lo incluyen.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de los dispositivos opto-electrónicos para transformar la radiación solar en electricidad y se refiere, concretamente, a un dispositivo de 5 concentración solar de tipo fotovoltaico, así como a un panel fotovoltaico y a un invernadero que lo incluyen.
El dispositivo de concentración solar de la invención es de aplicación tanto en campos solares como en integración arquitectónica en invernaderos o edificios.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 10
El diseño clásico de un dispositivo de concentración solar luminiscente (LSC) , consiste en un dispositivo fotovoltaico que incorpora un material luminiscente. Este material luminiscente absorbe la radiación solar incidente de una región del espectro y la reemite con una longitud de onda mayor (menor energía) . Si el ángulo de la luz emitida es mayor que el ángulo límite, la luz viaja a través de la guía de onda formada por el propio material luminiscente y por los 15 materiales encapsulantes presentes en el dispositivo de concentración, debido al fenómeno físico de la reflexión total interna, hasta alcanzar unas células solares en las que se produce la conversión fotovoltaica de la radiación en electricidad.
Uno de los factores de pérdida en la eficiencia del dispositivo es la cantidad de luz que es capaz de guiar desde el punto de emisión luminiscente hasta la célula solar fotovoltaica. Por 20 ejemplo, en el caso de un dispositivo de concentración solar con doble encapsulado de vidrio-vidrio inmerso en aire, para unos índices de refracción de 1, 5 y 1, 0 respectivamente, el ángulo crítico es 42º. Esto supone que sólo el 75% de la luz reemitida por el material luminiscente es guiada hasta la célula solar fotovoltaica.
Para solucionar este problema, se conocen técnicas que mejoran la cantidad de radiación solar 25 incidente en la célula solar, como por ejemplo la inclusión de una capa difusora trasera opaca, o un texturado del vidrio trasero. El inconveniente que presentan las capas difusoras es que la transmisividad del dispositivo es nula, lo que hace imposible que se pueda incorporar al mercado fotovoltaico de integración arquitectónica. Por otra parte, el inconveniente que presenta el texturado del vidrio trasero es que la texturización reduce parcialmente la 30 transmisividad del dispositivo y parte de la luz reflejada tiene un perfil isótropo, por lo que la probabilidad de que vuelva a escapar por la cara frontal del vidrio es alta, consiguiéndose así tan solo una solución parcial del problema planteado.
Otra alternativa de dispositivo LSC consiste en un apilamiento de distintos materiales luminiscentes, cada uno de ellos con diferentes bandas de emisión dentro del rango visible. El 35 problema que presenta este tipo de diseño reside en la imposibilidad de colocar una célula fotovoltaica que sea capaz de aprovechar todas las longitudes de onda fotoemitidas. Se tendría entonces que usar diferentes tipos de células solares, cada una optimizada para cada longitud de onda fotoemitida, que es diferente según el material luminiscente, lo que supondría un coste inviable de producto. Además, cada una de estas diferentes células tendría una corriente 40 eléctrica diferente y, al conectarlas en serie, todas las células trabajarían a la menor de las corrientes, por lo que el sistema fotovoltaico sería de menor eficiencia.
También existen diseños que utilizan espejos como recubrimientos ópticos para maximizar el guiado de luz, con el inconveniente de que el panel resultante es opaco, lo que limita sus aplicaciones arquitectónicas. 45
Adicionalmente, existen dispositivos de concentración solar en el estado de la técnica que hacen uso de recubrimientos de cristales fotónicos para maximizar el guiado de luz hacia las células. En estos dispositivos de concentración, las células solares se disponen con sus superficies activas orientadas hacia los cantos de un vidrio encapsulante y a través del que se guía la luz, con el fin de que las superficies activas sean perpendiculares a la radiación fotoemitida por el material luminiscente. Esta alternativa de diseño que pretende mejorar el 5 rendimiento de los dispositivos concentradores solares luminiscentes convencionales, presenta las siguientes limitaciones:
- La célula sólo recibe la radiación fotoemitida por el material luminiscente y con guiado optimizado por el cristal fotónico, sin recibir la radicación directa del sol.
- Dado que las células han de ser instaladas en el canto del vidrio, una de sus 10 dimensiones ha de ser reducida, lo que dificulta y encarece su manufactura.
- La colocación de las células en el canto del dispositivo exige una etapa adicional en el proceso de fabricación del dispositivo LSC: pegado de las células en el canto del vidrio y protección de las mismas frente a condiciones ambientales.
En lo que respecta al campo de aplicación en invernaderos, el crecimiento y floración de las 15 plantas no responde a una condición de contorno de radiación única. Por el contrario, se ha observado que dependiendo del tipo de radiación, tipo de ubicación geográfica y tipo de cultivo, determinadas plantaciones se ven favorecidas, bien en el tiempo de germinación del fruto o bien en el tamaño del mismo, cuando se modifican las condiciones de iluminación.
A día de hoy, existen invernaderos tradicionales que incorporan materiales con funciones 20 adicionales de control solar, como vidrios, plástico o LEDS. Sin embargo, presentan limitaciones relativas a los altos costes de inversión, la falta de aceptación social en el sector agrícola, y la falta de fiabilidad en la durabilidad de los productos sometidos a las inclemencias atmosféricas por un tiempo prolongado.
Como alternativa, existen diseños basados en células solares planas que facilitan el proceso de 25 fabricación pero sufren mayores pérdidas por guiado, lo que reduce la eficiencia del dispositivo de concentración frente a configuraciones convencionales.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone una solución a los problemas anteriores mediante un dispositivo de concentración solar según la reivindicación 1, un panel fotovoltaico según la reivindicación 30 17 y un invernadero según la reivindicación 18. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.
Según un primer aspecto inventivo, se proporciona un dispositivo de concentración solar que comprende
- un sustrato transparente o semitransparente, 35
- un recubrimiento de cristal fotónico,
- al menos una célula fotovoltaica dispuesta sobre el sustrato, con la superficie activa de la al menos una célula fotovoltaica dispuesta paralela al sustrato, y
- una capa de material luminiscente dispuesta en contacto con el recubrimiento de cristal fotónico, 40
en donde o bien el recubrimiento de cristal fotónico está dispuesto sobre el sustrato y la capa de material luminiscente está dispuesta sobre el recubrimiento de cristal fotónico, o bien la capa de material luminiscente está dispuesta sobre el sustrato y el recubrimiento de cristal fotónico está dispuesto sobre la capa de material luminiscente.
Se propone por tanto un dispositivo de concentración solar luminiscente en el que las células están dispuestas en una configuración plana, encapsuladas en el plano del sustrato, y que además incorpora un recubrimiento de cristal fotónico, minimizando así las pérdidas por guiado y maximizando el rendimiento del dispositivo.
Ventajosamente, con el dispositivo de concentración solar de la invención las células 5 fotovoltaicas pueden recibir tanto la luz directa del sol, como la luz guiada por el cristal fotónico. Además, la fabricación del dispositivo de concentración solar se facilita con respecto a la de los dispositivos de concentración solar del estado de la técnica, en los que se situaban las células fotovoltaicas en el canto, al no tener que posicionar en el fino canto de una lámina luminiscente las células fotovoltaicas. Así, la presente invención requiere menos etapas de fabricación y 10 permite el uso de células solares con tamaños estándar y más económicos, lo que resulta en un ahorro económico del dispositivo de concentración solar final.
En el dispositivo de concentración solar de la invención, las células fotovoltaicas están dispuestas con sus superficies activas paralelas al sustrato transparente o semitransparente que las soporta. 15
Además, el cristal fotónico puede estar también depositado sobre el sustrato, aproximadamente...
Reivindicaciones:
1. Dispositivo de concentración solar caracterizado porque comprende un sustrato (4) transparente o semitransparente, un recubrimiento de cristal fotónico (2) , al menos una célula fotovoltaica (1A, 1D) dispuesta sobre el sustrato (4) , con la 5 superficie activa de la al menos una célula fotovoltaica dispuesta paralela al sustrato (4) , y una capa de material luminiscente (3) dispuesta en contacto con el recubrimiento de cristal fotónico (2) , en donde o bien el recubrimiento de cristal fotónico (2) está dispuesto sobre el sustrato (4) y la capa de material luminiscente (3) está dispuesta sobre el recubrimiento de cristal fotónico (2) , o 10 bien la capa de material luminiscente (3) está dispuesta sobre el sustrato (4) y el recubrimiento de cristal fotónico (2) está dispuesto sobre la capa de material luminiscente (3) .
2. Dispositivo de concentración solar según la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato es un sustrato de vidrio, cerámico, polimérico o metálico.
3. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 15 caracterizado porque comprende una lámina superior (6) de un material transparente o semitransparente, dispuesta cubriendo la al menos una célula fotovoltaica (1A, 1D) y la capa de material luminiscente (3) o el recubrimiento de cristal fotónico (2) , según corresponda.
4. Dispositivo de concentración solar según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende adicionalmente una lámina de material encapsulante (5) dispuesta entre la lámina 20 superior (6) y la capa de material luminiscente (3) o el recubrimiento de cristal fotónico (2) , según corresponda.
5. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta una pluralidad de células fotovoltaicas (1A, 1D) dispuestas sobre el sustrato (4) , rodeando al menos parcialmente el recubrimiento de cristal fotónico (2) o 25 la capa de material luminiscente (3) , según corresponda.
6. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la al menos una célula fotovoltaica (1A, 1D) y el recubrimiento de cristal fotónico están dispuestos con sus cantos en contacto.
7. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 30 caracterizado porque el material luminiscente se selecciona del grupo formado por: materiales luminiscentes orgánicos, elementos y/o complejos que contienen elementos de tierras raras, puntos cuánticos, materiales plasmónicos y cualquier combinación de los anteriores.
8. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la al menos una célula fotovoltaica es de tipo Si, calcogenuros, kesteritas, 35 células orgánicas, DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells) , perovskitas, células III-V o cualquier combinación de los anteriores.
9. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cristal fotónico presenta una estructura compuesta por una pluralidad de capas de al menos dos materiales distintos dispuestas periódicamente en una dimensión 40 (PC1D) .
10. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los materiales del cristal fotónico se seleccionan del grupo formado por: nitruros, óxidos, metales, siliciuros, oxinitruros y carburos.
11. Dispositivo de concentración solar cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cristal fotónico presenta entre 2 y 1000 capas, preferentemente entre 5 y 200 capas, más preferentemente entre 10 y 100 capas, y más preferentemente aún entre 15 y 30 capas.
12. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 5 caracterizado porque el espesor de cada capa de la estructura del cristal fotónico está comprendido en el intervalo entre 10 y 1000 nm.
14. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cristal fotónico es tal que su pico de Bragg coincide con:
a) el pico de emisión del material luminiscente, 10
b) el pico de absorción del material luminiscente, o
c) la convolución del pico de absorción y el pico de emisión del material luminiscente.
15. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las células fotovoltaicas presentan una anchura (Wc) de entre 0, 1 y 300 cm, preferentemente de entre 0, 1 y 10 cm. 15
16. Dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las células fotovoltaicas presentan una longitud (Lc) de entre 0, 1 y 1000 cm.
17. Panel fotovoltaico caracterizado porque comprende al menos un dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones anteriores. 20
18. Invernadero caracterizado porque comprende al menos un dispositivo de concentración solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-16.
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