Módulo solar fotovoltaico de alta concentración, formado por una carcasa (1) que en su interior tiene receptores fotovoltaicos (2) en su base (3) interconectados entre sí,

y en su parte superior tiene lentes concentradoras Fresnel (7) en un plano paralelo al de los receptores fotovoltaicos (2), que la cierran de forma estanca, cada una de las lentes concentradoras Fresnel (7) dispuesta sobre uno de dichos receptores fotovoltaicos (2). Además incluye elementos ópticos secundarios (8), dispuesto cada uno de ellos sobre la célula fotovoltaica (5) de cada receptor fotovoltaico (2). La carcasa (1) está realizada en inyección de plástico, y tiene integrada en ella una pluralidad de cavidades (9) en la base (3), cada una de ellas para el alojamiento de un receptor fotovoltaico (2), y una pluralidad de láminas metálicas (10) para la interconexión de los receptores fotovoltaicos (2).

Módulo solar fotovoltaico de alta concentración.

Campo técnico de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico de los módulos solares fotovoltaicos para el aprovechamiento de la energía solar para la producción de energía eléctrica, concretamente a módulos solares fotovoltaicos de alta concentración, y más concretamente a módulos formados por un parquet de lentes concentradoras Fresnel, un sistema óptico secundario, y células fotovoltaicas de alta eficiencia.

Antecedentes de la invención

En la actualidad, la energía solar es considerada frecuentemente como una alternativa renovable a la energía generada por combustible fósil que es utilizada actualmente de modo predominante. El coste es un factor principal en la determinación del tipo de fuente de energía a utilizar, y puede esperarse de un modo razonable que cuando la energía creada a través de la conversión de potencia solar sea de coste competitivo con la generada por combustibles fósiles, la energía solar alcanzará un uso más amplio.

Los módulos de conversión de energía solar que convierten la luz solar en energía eléctrica emplean típicamente células fotovoltaicas que convierten directamente la energía solar en energía eléctrica. Las células solares fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad, de un modo directo. La cantidad de energía creada por la célula está relacionada directamente con la cantidad de energía solar que absorbe la célula, y la cantidad de energía que absorbe la célula es una función tanto del tamaño como del área superficial de ésta, y de la intensidad de la luz solar y la longitud de onda que incide en ella.

La alta concentración fotovoltaica (High Concentration Photovoltaic "HCPV", en sus siglas en Inglés) es una tecnología incipiente que está empezando a posicionarse como una alternativa de bajo coste para la generación de electricidad.

El alto costo de fabricación de los módulos fotovoltaicos, principalmente el costo de las células, las cuales en su mayoría son importadas de otros países, hacen que los precios de venta sean excesivamente altos.

En términos relativos, la célula fotovoltaica es el componente más costoso de un convertidor de energía solar. Por lo tanto, el incremento de la producción eléctrica del convertidor aumentando el área superficial de las células, puede llegar muy costoso, y se emplean normalmente otros métodos para incrementar la intensidad de la luz solar que incide en la célula. Tales métodos incluyen utilizar lentes concentradoras y/o espejos para el enfoque de la luz solar sobre la célula.

El tamaño del módulo afecta también al coste en otros modos menos directos. Puesto que la mayoría de los convertidores de energía solar son fabricados alejados de su sitio de instalación, los costes de transporte y de montaje final pueden ser significativos. Claramente, los costes de transporte pueden reducirse al mínimo disminuyendo el tamaño del módulo convertidor, y la simplificación de la estructura general puede esperarse que reduzca razonablemente los costes del montaje, así como el coste del propio colector solar.

Efectivamente, en material semiconductor, para instalar un megavatio pico de módulos fotovoltaicos convencionales se requiere un espacio equivalente a la superficie de un campo de fútbol, es decir, aproximadamente 8000 m². Por el contrario, en el caso de alta concentración fotovoltaica, la superficie de semiconductor necesaria se reduce a ocho metros cuadrados, lo que demuestra las ventajas económicas de esta tecnología, pues el empleo de espacio para instalaciones o huertos de paneles de módulos solares de alta concentración es mucho menor.

Con respeto a lo anterior es importante destacar que las células convencionales fotovoltaicas se fabrican con silicio, por el contrario las que se utilizan en alta concentración, se realizan con elementos de los grupos III-V del sistema periódico, elementos como el galio, indio, fósforo y otros de la misma índole, normalmente sobre sustratos de germanio, formando células tándem de múltiple unión que permiten utilizar el espectro solar de una manera mucho más eficiente.

Para el caso de células de silicio, por ser de una sola unión, el límite teórico de conversión, determinado por su eficiencia, se sitúa en el 40%, en condiciones de concentración. Por el contrario, para células de uniones múltiples, el límite teórico se sitúa en el 86,4%, por lo que el potencial de mejora es muy alto.

En la actualidad, las células comerciales de silicio, para un sol, presentan eficiencias máximas del veintiuno por ciento 21% (silicio monocristalino), mientras que las células triple unión presentan eficiencias de alrededor del 37%.

Realmente, la mayoría de instalaciones fotovoltaicas convencionales de silicio presentan eficiencias inferiores al 15%. En consecuencia, la superficie total de captación solar fotovoltaica puede reducirse drásticamente mediante el uso de la alta concentración fotovoltaica (casi la mitad en la actualidad, es decir, el 50% de la superficie requerida por fotovoltaica convencional, y con potencial de reducir, incluso, este porcentaje). Esta reducción de superficie total requerida para una potencia pico equivalente instalada, mediante el uso de la tecnología de alta concentración fotovoltaica, permite reducir el costo de importantes elementos de las instalaciones, tales como menor cantidad de terreno necesario, menor numero de seguidores solares, reducción de distancias de cableado y otros elementos estructurales, y reducción de costes de transporte como consecuencia de la disminución de volumen y peso de elementos requeridos.

Como consecuencia de lo mencionado anteriormente, el coste por Vatio instalado tiene un gran potencial de reducción.

En algunos países, tales como España, se prima más la instalación fotovoltaica generadora de energía eléctrica ubicada en cubierta que en planta solares, por lo que los avances tecnológicos deben ir encaminados a dicha ubicación.

Un objetivo relacionado es proporcionar un convertidor de energía solar de este tipo que utiliza una lente individual o concentradora óptica complementada con un elemento óptico secundario para cada célula.

El sistema de aplicación de lentes concentradoras de radiación solar sobre células fotovoltaicas para el aumento de la capacidad de producción de energía eléctrica de las mismas, consiste en la utilización de una lente concentradora realizada en vidrio, metacrilato, poliuretano, polietileno, polipropileno o cualquier otro tipo de material de índole similar, que resulte transparente para permitir el paso de los rayos solares. En este caso, las lentes de Fresnel tienen la propiedad de ser elementos concentradores de gran potencia de la radiación solar, y consecuentemente permiten el aprovechamiento de dicha energía en el campo de energía fotovoltaica.

Sobre dicha lente se graban unos surcos circulares y concéntricos a lo ancho de todo el diámetro de la lente, siendo este el elemento que dota a la lente de su poder de concentración de la radiación solar. En definitiva se trata de una lente concentradora de radiación solar, de tipo convencional, cuyas dimensiones suelen ser entre 10 a 30 centímetros de diámetro, pudiendo variar dichas medidas en función de las necesidades para la cual tenga que ser utilizada.

La lente se ubica sobre un marco o bastidor que dispone de un doble fondo de menor medida para ubicar en el la célula fotovoltaica, situada entre 10 a 30 centímetros de separación con la lente concentradora. Orientado el conjunto hacia la posición del sol, los rayos inciden sobre la lente pasando a través de ella, hasta alcanzar a la célula fotovoltaica, la cual recibe dicha radiación solar aumentada en su potencia por efecto de una mayor superficie de radiación a su paso a través de la lente concentradora y el elemento óptico secundario adicional.

Las unidades así dispuestas, es decir el conjunto de una lente concentradora, superpuesta sobre una célula fotovoltaica a una distancia entre 10 a 30 centímetros, y soportados ambos elementos sobre una caja, carcasa o bastidor, pueden ser colocadas en serie para formar los módulos fotovoltaicos, y en el numero necesario para alcanzar la potencia en watios que se quiera determinar en cada módulo, teniendo en cuenta la capacidad de producción de energía de cada célula en función del mayor rendimiento que se obtiene por...

1. Módulo solar fotovoltaico de alta concentración, que comprende

- una carcasa (1) que en su interior comprende

- una pluralidad de receptores fotovoltaicos (2) dispuestos en la base (3) de dicha carcasa (1) e interconectados entre sí, comprendiendo cada uno de ellos