CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN PARA UN RECEPTOR DE RADIACIÓN SOLAR.

Un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar que incluye:

(a) un receptor (7) que incluye (i) una pluralidad de células fotovoltaicas (5) para la conversión de la energía solar en energía eléctrica, (ii) un circuito eléctrico para la transferencia de la producción de energía eléctrica de las células fotovoltaicas (5) y (iii) un marco (15, 99) que soporta las células fotovoltaicas (5) de modo que formen una superficie al menos sustancialmente continua que se expone a la radiación solar concentrada reflejada; y (iv) un circuito refrigerante para la refrigeración de las células fotovoltaicas (5) con un refrigerante y (b) un medio para la concentración de la radiación solar en el receptor (7); y estando caracterizado por que el sistema del receptor incluye una pluralidad de módulos (23), incluyendo cada módulo (23) una pluralidad de células fotovoltaicas; el marco (15, 99) soporta los módulos en una matriz de módulos de modo que las células fotovoltaicas (5) forman la al menos sustancialmente continua superficie; cada módulo (23) incluye la conexión eléctrica que forma parte del circuito eléctrico receptor, cada módulo (23) incluye una estructura de soporte que soporta las células fotovoltaicas (5) que incluye una entrada de refrigerante y una salida de refrigerante; el circuito de refrigerante incluye una trayectoria del flujo de refrigerante en cada módulo (23) que se extiende desde la entrada de refrigerante (45) a la salida de refrigerante (46) y que está en contacto térmico con las células fotovoltaicas (5) de modo que durante el uso el refrigerante que fluye a través de la trayectoria de flujo extrae calor de las células fotovoltaicas y refrigera de ese modo las células (5) y el marco soporte (15, 99) incluye una trayectoria de flujo de refrigerante que suministra refrigerante a las entradas de refrigerante (45) de los módulos (23) y retirar refrigerante de las salidas de refrigerante (46) de los módulos (23)

La presente invención se refiere a un receptor de un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de radiación solar.

Los sistemas de generación de energía eléctrica basados en la radiación solar incluyen típicamente:

(a) un receptor que incluye una pluralidad de células fotovoltaicas que convierten la energía solar en energía eléctrica y un circuito eléctrico para la transferencia de la producción de energía eléctrica de las células fotovoltaicas; y

(b) un medio para la concentración de la radiación solar en las células fotovoltaicas del receptor.

A modo de ejemplo, el medio para la concentración de la radiación solar puede ser un reflector de plato que incluye una matriz parabólica de espejos que reflejan la radiación solar que incide sobre un área superficial relativamente grande de los espejos hacia un área superficial relativamente pequeña de las células fotovoltaicas.

Además de la matriz parabólica de espejos, el reflector de plato descrito anteriormente puede incluir también un sistema secundario de espejos adaptados para la modificación de la radiación solar (tal como un modificador de flujo solar).

Otro medio, aunque no el único, para la concentración de la radiación solar es una matriz de espejos separados que se sitúan de modo que reflejen la radiación solar que incide sobre un área superficial relativamente grande de los espejos hacia un área superficial relativamente pequeña de las células fotovoltaicas.

El documento DE 44 05 650 C1 describe un generador de energía solar que incluye un sistema de recogida de la energía solar con un espejo curvado que se sitúa para recibir los rayos del sol.

Se posiciona un módulo de energía solar en el punto focal del espejo y los paneles reflectores en ángulo proyectan y dirigen los rayos desde el módulo dentro del alcance del espejo. El módulo de energía solar está relleno con un fluido de refrigeración que circula mediante una bomba a través de un tanque.

El documento GB 2 026 767 describe un módulo de matriz solar de concentradores que tienen un absorbente de calor metálico con una superficie de montaje plana, un separador del semiconductor provisto con una capa de material aislante por ejemplo en la forma de óxido de silicio sobre una superficie que se fija a la superficie de montaje del absorbente térmico mediante un adhesivo térmicamente conductor, una célula solar de semiconductor soldada al separador y una cubierta de vidrio fijada a la célula solar mediante un adhesivo.

La cubierta de vidrio está provista con una superficie texturada para producir la difusión de la luz que incide sobre la célula solar.

La presente invención se refiere más particularmente, aunque de ninguna manera exclusivamente, a un sistema de generación de energía eléctrica en gran escala basado en la radiación solar del tipo descrito anteriormente que es capaz de producir cantidades sustanciales de energía eléctrica lista para su acondicionamiento hasta al menos 20 kW de corriente alterna trifásica estándar de 415 voltios.

Las aplicaciones para tales sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala incluyen la alimentación de potencia en áreas remotas para redes aisladas, energía conectada a la red, bombeo de agua, telecomunicaciones, bombeo de crudo petrolífero, purificación de agua y generación de hidrógeno.

Un problema significativo asociado con el desarrollo de los sistemas de generación de energía eléctrica basados en la radiación solar comercialmente viables del tipo descrito anteriormente es el rendimiento a largo plazo de los materiales y la integridad estructural de los componentes del sistema hechos de esos materiales como consecuencia de:

(a) la exposición a una radiación solar de intensidad extremadamente alta capaz de producir altas temperaturas, por ejemplo temperaturas considerablemente por encima de 1000ºC;

(b) los ciclos entre intensidades de radiación solar alta y baja; y

(c) las variaciones de temperatura entre diferentes partes de los componentes estructurales. El receptor es un área de particular importancia en este sentido.

Específicamente, en los sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala basados en energía solar del tipo descrito anteriormente las células fotovoltaicas se exponen a intensidades de radiación solar al menos 200 veces la intensidad del sol durante las condiciones de operación óptima. Además, las células fotovoltaicas están sometidas a ciclos significativos entre niveles de radiación solar extremadamente alta y baja y a variaciones en la intensidad de radiación solar a través de la superficie del receptor.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un receptor que sea capaz de una exposición a largo plazo a intensidades extremadamente altas de radiación solar, ciclos entre intensidades de radiación solar extremadamente alta y baja y variaciones de temperatura entre diferentes secciones de los componentes del receptor.

De acuerdo con la presente invención se proporciona un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de radiación solar como se reivindica en la Reivindicación 1.

El solicitante ha descubierto que el receptor anteriormente descrito es capaz de extraer cantidades significativas de calor generada por la radiación solar incidente de una manera eficiente y fiable. Específicamente, el solicitante ha descubierto que la realización preferida del receptor descrita con más detalle a continuación es capaz de extraer hasta 50 W/cm2 de la célula fotovoltaica expuesta. Por ello, el receptor acomete el significativo problema de que una gran parte de la radiación incidente sobre los receptores de un sistema de generación de energía eléctrica a gran escala basados en la radiación solar no se convierte en electricidad y se manifiesta a sí misma como calor lo que reduce la eficiencia de las células fotovoltaicas.

Además, la modularidad del receptor acomete (al menos en parte) el problema de que las localizaciones óptimas para los sistemas de generación de energía solar a gran escala basados en la radiación solar tienden a estar en regiones que están alejadas de poblaciones importantes y centros de fabricación y, por lo tanto, la construcción de sistemas en tales localizaciones remotas presenta dificultades significativas en términos de transporte del equipo a los emplazamientos, construcción en el emplazamiento y mantenimiento continuo (incluyendo la rápida sustitución de piezas de los componentes) en los emplazamientos.

Además, la modularidad del receptor hace posible mejorar la fabricación del receptor porque la fabricación se puede basar en la fabricación repetida de un número relativamente grande de módulos relativamente pequeños más que en un número pequeño de grandes componentes.

Preferiblemente durante el uso un refrigerante mantiene las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 80ºC.

Más preferiblemente durante el uso un refrigerante mantiene las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 70ºC.

Se prefiere particularmente que durante el uso un refrigerante mantenga las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 60ºC.

Se prefiere más particularmente que durante el uso un refrigerante mantenga las células fotovoltaicas a una temperatura de no más de 40ºC.

Cada módulo incluye una estructura que soporta las células fotovoltaicas.

Preferiblemente la estructura de soporte define la trayectoria del flujo de refrigerante para la extracción de calor de las células fotovoltaicas.

Preferiblemente la estructura de soporte incluye:

(a) un elemento de refrigeración que define al menos parcialmente la trayectoria del flujo, un elemento refrigerante que está formado de un material que tiene una alta conductividad térmica; y

(b) un sustrato interpuesto entre el elemento refrigerante y las células fotovoltaicas, incluyendo el sustrato una capa formada de un material que tiene una alta conductividad térmica y es un aislante eléctrico.

Preferiblemente el elemento refrigerante actúa como un absorbente de calor.

El elemento refrigerante puede estar hecho con cualquier material adecuado de conductividad térmica elevada.

A modo de ejemplo, el elemento refrigerante puede ser un metal o cerámica de conductividad térmica elevada.

Preferiblemente... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para la generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar que incluye:

(a) un receptor (7) que incluye (i) una pluralidad de células fotovoltaicas (5) para la conversión de la energía solar en energía eléctrica, (ii) un circuito eléctrico para la transferencia de la producción de energía eléctrica de las células fotovoltaicas (5) y (iii) un marco (15, 99) que soporta las células fotovoltaicas (5) de modo que formen una superficie al menos sustancialmente continua que se expone a la radiación solar concentrada reflejada; y (iv) un circuito refrigerante para la refrigeración de las células fotovoltaicas (5) con un refrigerante y

(b) un medio para la concentración de la radiación solar en el receptor (7); y estando caracterizado por que el sistema del receptor incluye una pluralidad de módulos (23), incluyendo cada módulo (23) una pluralidad de células fotovoltaicas; el marco (15, 99) soporta los módulos en una matriz de módulos de modo que las células fotovoltaicas (5) forman la al menos sustancialmente continua superficie; cada módulo (23) incluye la conexión eléctrica que forma parte del circuito eléctrico receptor, cada módulo (23) incluye una estructura de soporte que soporta las células fotovoltaicas (5) que incluye una entrada de refrigerante y una salida de refrigerante; el circuito de refrigerante incluye una trayectoria del flujo de refrigerante en cada módulo (23) que se extiende desde la entrada de refrigerante (45) a la salida de refrigerante (46) y que está en contacto térmico con las células fotovoltaicas (5) de modo que durante el uso el refrigerante que fluye a través de la trayectoria de flujo extrae calor de las células fotovoltaicas y refrigera de ese modo las células (5) y el marco soporte (15, 99) incluye una trayectoria de flujo de refrigerante que suministra refrigerante a las entradas de refrigerante (45) de los módulos (23) y retirar refrigerante de las salidas de refrigerante (46) de los módulos (23).

2. El sistema definido en la Reivindicación 1 en el que la pluralidad de módulos (23) se dispone en una matriz bidimensional de módulos (23).

3. El sistema definido en la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2 en el que los módulos (23) se disponen de modo que hay un flujo paralelo de refrigerante a través de las trayectorias de flujo en los módulos (23).

4. El sistema definido en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la estructura de soporte de cada módulo (23) incluye:

(a) un elemento refrigerante (35) que define al menos parcialmente la trayectoria de flujo, estando formado el elemento refrigerante con un material térmicamente conductor; y

(b) un sustrato (27) interpuesto entre el elemento refrigerante (35) y las células fotovoltaicas (5), incluyendo el sustrato (27) una capa térmicamente conductora (29) que es un aislante eléctrico.

5. El sistema definido en la Reivindicación 4 en el que el elemento refrigerante (35) de cada módulo (23) comprende una pluralidad de canales de flujo que definen parte de la trayectoria de flujo.

6. El sistema definido en la Reivindicación 4 o la Reivindicación 5 en el que la capa térmicamente conductora (29) del sustrato (27) está formada con un material cerámico.

7. El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 4 a 6 en el que el sustrato (27) incluye una capa metalizada (31) interpuesta entre las células fotovoltaicas (5) y la capa térmicamente conductora (29).

8. El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 4 a 6 en el que el sustrato (27) incluye una capa metalizada (33) interpuesta entre la capa térmicamente conductora (29) y el elemento refrigerante (35).

9. El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 4 a 7 en el que el elemento refrigerante (35) incluye una base (39), una pared (41) que se extiende hacia arriba desde la base (39) y hace contacto con el sustrato (27) mediante el que la base (39), la pared lateral (41) y el sustrato (27) definen una cámara de refrigerante cerrada que forma parte de la trayectoria de flujo de refrigerante.

10. El sistema definido en la Reivindicación 9 en el que el elemento refrigerante (35) incluye una serie de plataformas separadas (47) que se extienden desde la base (39) y hacen contacto con el sustrato (27) en una parte central de la cámara y definen canales (53) entre ellas para el flujo del refrigerante desde cerca de un extremo de la cámara a cerca de un extremo opuesto de la cámara.

11. El sistema definido en la Reivindicación 10 en el que las plataformas separadas (47) son paralelas de modo que los canales (53) están separados.

12. El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 9 a 11 en el que la base (39) incluye una entrada de refrigerante (45) y una salida de refrigerante (46) para el suministro de refrigerante a y la retirada del refrigerante de los extremos opuestos de la cámara, formando los extremos opuestos de la cámara colectores de refrigeración (49, 51).

13. El sistema definido en la Reivindicación 12 en el que la entrada de refrigerante (45), el colector de refrigerante

(49, 51), la salida de refrigerante (46) y los canales de refrigerante (53) definen una trayectoria de flujo del refrigerante de la estructura de soporte del módulo (23).

14. El sistema definido en la Reivindicación 10 en el que la relación del ancho total de los canales (53) al ancho total

de las plataformas (47) está en el intervalo de 0,5:1 a 1,5:1. 5

15. El sistema definido en la Reivindicación 14 en el que la relación del ancho total de los canales (53) al ancho total de las plataformas (47) es del orden de 1:1.

16. El sistema definido en una cualquiera de las Reivindicaciones 10, 14 ó 15 en el que la relación entre la altura y el 10 ancho de cada canal (53) está en intervalo de 1,5:1 a 5:1.

17. El sistema definido en la Reivindicación 16 en el que la relación entre la altura y el ancho de cada canal (53) está en intervalo de 1,5:1 a 2,5:1.

18. El sistema definido en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el medio de concentración de la radiación solar sobre el receptor es un reflector de plato que incluye una matriz de espejos (3) para la reflexión de la radiación solar que incide sobre los espejos (3) hacia las células fotovoltaicas (5).

19. El sistema definido en la reivindicación 18 en el que el área superficial de los espejos (3) del reflector de plato 20 que se expone a la radiación solar es sustancialmente más grande que el área superficial de las células fotovoltaicas

(5) que se expone a la radiación solar reflejada.