ELEMENTO DE CERRAMIENTO QUE TIENE UNA PRIMERA CAPA DE VIDRIO Y UNA SEGUNDA CAPA FOTOVOLTAICA DESCRIPCIÓN Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de elementos de cerramiento para construcción.

Antecedentes de la invención

Actualmente el vidrio laminado compuesto por una o más unidades de vidrio monolítico es un componente muy común en las zonas de los edificios donde interesa tener un material transparente que permita observar otras zonas, o que permita el paso de la luz hacia su interior. Este uso frecuente se debe a que el vidrio laminado es considerado un vidrio de seguridad debido a la capacidad del encapsulante para mantener adheridos los trozos de vidrio en caso de rotura.

Como encapsulante más habitual para formar el vidrio laminado se utilizan compuestos basados en PVB (Butiral de polivinilo) por sus propiedades de transparencia y propiedades mecánicas, siendo también posible la utilización de EVA u otros compuestos poliméricos de análogas características [US2011315216]. Estos encapsulantes pueden ser dotados, mediante la incorporación de pigmentos, de la propiedad de absorber ciertas zonas del espectro lumínico, lo que se traduce en un coloreamiento del polímero. Al incorporar encapsulante pigmentado como parte del vidrio laminado, la unidad de vidrio final consiste en un elemento transparente que presenta unas características específicas de transmitancia radiativa derivadas del pigmento incorporado en el encapsulante.

Dado que los pigmentos, y por lo tanto las características ópticas, son limitados, se pueden combinar distintos encapsulantes en una misma unidad de vidrio laminado con la intención de conseguir un filtrado concreto con muy buena precisión.

La tendencia en el diseño de las fachadas de las edificaciones, donde la máxima es conseguir el mayor grado de transparencia posible, se traduce en una vigilancia muy cercana de los aspectos relacionados con el rendimiento térmico y protección solar de las edificaciones. El concepto de protección solar implica minimizar la entrada al interior de la edificación de energía solar, con la intención de controlar el calentamiento excesivo debido a la ganancia solar.

Por otra parte, el rendimiento térmico hace alusión a la reducción de la pérdida de calor, a través de los paramentos, desde el interior al exterior de las edificaciones y la mejora del balance energético del edificio que esto conlleva. Controlar la radiación solar mediante vidrio significa prevenir que parte de la radiación solar que incide sobre el vidrio entre al interior de la edificación. La elección de un sistema de control solar es siempre un compromiso entre una ganancia mínima de energía en el interior del edificio y el máximo aprovechamiento de la luz natural.

Por otro lado, actualmente las diferentes tecnologías fotovoltaicas están siendo fruto de diversas modificaciones de todo tipo con la intención de ser incorporadas en los edificios (Building Integrated Photovoltaics, BIPV) como elementos generadores de energía eléctrica.

La combinación de tecnología fotovoltaica con diferentes estrategias de transmitancia o reflexión solar selectiva es un tema abordado desde distintos puntos de vista dado

SU interé PI e^r nr BIPV:

1. Silicio amorfo transparente + vidrio tintado

2. Otros casos

1. Silicio amorfo transparente + vidrio tintado

En esta línea, se han hecho pruebas de combinación de tecnología dé silicio amorfo transparente junto con vidrio tintado, presentando este sistema numerosos inconvenientes a la hora de su implementación arquitectónica:

- Uno de los inconvenientes del vidrio tintado es que se trata de una tecnología que requiere de equipos de alto coste y muy especializados, ya que la pigmentación de óxidos metálicos es introducida en la fase de fundido del vidrio, por lo que la industria capaz de llevar a cabo esta técnica es muy reducida. Esto implica la fabricación de grandes cantidades para producir de una manera competitiva y largos plazos de entrega. Por otra parte las opciones disponibles en cuanto a dimensiones y espesores del vidrio final son enormemente reducidas debidas a las complejidades técnicas de la fabricación, pues estos parámetros quedan prácticamente determinados por el pigmento añadido. En la práctica, esto limita enormemente las posibilidades constructivas de los elementos que lo incorporan.

Así mismo, este tipo de vidrio no es apto para el proceso de templado debido a incompatibilidades entre las altas temperaturas necesarias y las características de nucleación de los óxidos metálicos incorporados para la pigmentación. Esto impide su utilización para los requerimientos habituales que implican tensiones a flexión, o para las que se requiere un vidrio cuya ruptura sea segura. Desde el punto de vista arquitectónico, dónde estas cualidades son a menudo obligatorias, su aplicación resulta ser muy limitada.

Las opciones de filtrado quedan limitadas a unos pocos pigmentos disponibles, siendo imposible la combinación de ellos para adaptar y personalizar el resultado óptico final. Esto presenta limitaciones en la customización de propiedades de transmitancia lumínica, color, control solar y ganancia solar.

Todas estas características limitan enormemente las aplicaciones del sistema propuesto basado en el uso de vidrio tintado con la tecnología fotovoltaíca transparente para su implementación arquitectónica y su configuración optimizada para garantizar el confort interno. [Transparent amoíphous silicon PV-Facade as parí of an integrated concept for the energetic rehabilitation of an office building in Barcelona. EUPVSEC 2005] 2. Otros casos

Sobre las células tradicionales de silicio policristalino o monocristalino, se han conseguido otros colores diferentes al azulado tradicional gracias a la modificación de la deposición del coating antirreflectante (ARC) que incorporan, y que puede ser adaptado para conseguir la reflexión de determinadas longitudes de onda en función de su espesor. Esto confiere a las células un aspecto coloreado a cambio de una pérdida de eficiencia que varía en función del color que se quiera obtener. Por otra parte, el resultado son células opacas que no permiten el paso de la luz. [Ejemplos son la línea de productos Prosol PV de Schüco, células de colores de Pevafersa, etc] Por otro lado, otra opción de combinación de efecto fotovoltaico con vidrio de color es el caso del empleo de capas de silicio amorfo de menor espesor, que en combinación con contactos eléctricos transparentes da lugar a cierto grado de transparencia ligado a las limitaciones de absorción lumínica del silicio. Los colores logrados con esta tecnología son solamente los referentes a un matiz cromático (dorados, rojizos y marrones) y ligados a un grado de transparencia, por lo que el color determina la transparencia v la eficiencia del dispositivo.

También se han estudiado las posibilidades de incorporar diferentes filtros selectivos entre el primer vidrio monolítico y películas de silicio amorfo basados en las tecnologías de coatings antirreflectantes, con la intención de dotar de color a vidrios fotovoltaicos opacos de esta tecnología. Estos tratamientos, por estar situados delante de la capa activa, producen pérdidas de eficiencia en la generación eléctrica de la capa fotovoltaica en función del color. Por otro lado, su aplicación se ha realizado sin la incorporación de ningún grado de transparencia. [Efficiency of silicon thin-film photovoltaic modules with a front coloured alassl

También hay patentes que contemplan la combinación de colores con tecnología fotovoltaica de silicio amorfo pero basadas en la incorporación de pigmentos sobre láminas dé Tereftalato de polietileno (PET) US2011315216.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un elemento de cerramiento de acuerdo con la reivindicación 1. Realizaciones preferidas del elemento se definen en las reivindicaciones dependientes.

La invención comprende incorporar una capa basada en tecnología fotovoltaica de lámina delgada en una zona interna del vidrio laminado con encapsulante selectivo, dónde la capa fotovoltaica tiene además la propiedad de ser transparente. Con ello se consigue un vidrio laminado de color que además produce energía eléctrica, filtra gran parte de la radiación exterior y regula el calor que pasa a través del vidrio.

Esta incorporación, permite obtener ventajas además de la producción eléctrica, como el control de los parámetros ópticos o la disminución de radiación ultravioleta. De este último efecto se deriva que la configuración fotovoltaica transparente contribuye a ralentizar la degradación de algunos pigmentos incorporados en el encapsulante, con lo que se reduce un problema presente en este tipo de encapsulantes. Por otro lado, surge un reto a superar como es el mayor calentamiento del encapsulante debido a la absorción de radiación por la capa fotovoltaica.

En el contexto descrito anteriormente, donde la elección de un sistema de control solar es siempre un compromiso entre una ganancia mínima de energía en el interior del edificio y el máximo aprovechamiento de la luz natural, la utilización de vidrios selectivos aporta una ventaja frente a las soluciones constructivas tradicionales de control solar (parasoles, lamas, etc.). Se entiende por selectivo la capacidad de filtrar ciertas longitudes de onda de la radiación incidente, bien sea por reflexión o por absorción.

La capacidad de control de la radiación solar y de la ganancia térmica por parte de la utilización de encapsulante selectivo se traduce en el control de las siguientes propiedades:

• Transmisión de la luz visible

• Reflexión de la luz visible

• Transmitancia solar

· Absorción de la energía solar

, .. · Coeficiente de ganancia solar (SHGC)

Como se puede apreciar, la versatilidad de este tipo de soluciones para establecer un control higrotérmico del edificio es muy amplia.

También es necesario tener en cuenta otra serie de factores que sumados a los anteriores dotan a este tipo de solución constructiva de una enorme versatilidad:

• Seguridad: Protección a los ocupantes de las edificaciones y los peatones frente a impactos accidentales, roturas o precipitación de partes de los vidrios. Seguridad frente a la entrada de ladrones y entradas forzadas, seguridad frente a impactos.

• Acústica: reducción de la transmisión sonora al interior de las edificaciones de los sonidos ambientales.

• Tormentas/huracanes: posibilidad de configuraciones para laminación de vidrios para protección de vientos de alta velocidad. Por otro lado las tendencias constructivas trabajan para incorporar al vidrio propiedades de control solar. A menudo, lo que se había establecido como una manera de ofrecer entrada de luz natural, se convierte para los arauitectos en una herramienta de control de las condiciones internas de confort.

La posibilidad de control de las características ópticas de los acristalamientos mediante técnicas de combinación de encapsulante con diferentes pigmentos, amplía enormemente las capacidades de adecuación del vidrio para cada requerimiento arquitectónico en cuanto a propiedades requeridas en cada edificio.

Este amplio abanico contrasta con la enorme limitación de posibilidades que se ofrece, en términos de control óptico y adaptabilidad constructiva, mediante el empleo de tintados en la propia masa del vidrio. Gracias a la combinación de diferentes capas, cada una con un pigmento, se pueden conseguir hasta dos mil resultados diferentes que ayudan a crear las características ópticas más adecuadas.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una sene ue UIUUJUS que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 muestra un esquema en sección conforme a una primera realización de la invención.

La Figura 2 muestra un esquema en sección conforme a una segunda realización de la invención.

La Figura 3 muestra un esquema en perspectiva conforme a una primera realización de la invención.

La Figura 4 muestra un esquema en perspectiva conforme a una segunda realización de la invención.

Descripción detallada de la invención

Una realización de la invención se refiere a un elemento de cerramiento que tiene una primera capa (1 ) de vidrio y una segunda capa (2) fotovoltaica que comprende: 1c) una tercera capa (3) encapsulante;

1 d) una cuarta capa (4) de vidrio.

La primera capa (1) de vidrio y la cuarta capa (4) de vidrio contienen la segunda capa (2) fotovoltaica y la tercera capa (3) encapsulante.

Conforme a otras características de la invención: 2. La segunda capa (2) es transparente. 3, La segunda capa (2) es de lámina delgada.

4. La tercera capa (3) comprende una pluralidad de encapsulantes pigmentados configurados para permitir un paso de radiación electromagnética comprendida en un intervalo determinado. Dicho de otra manera, la tercera capa (3) permite filtrar una radiación electromagnética comprendida, en un intervalo determinado, bien por reflexión o por absorción.

5. La tercera capa (3) es un encapsulante pigmentado de naturaleza polimérica, típicamente PVB o EVA.

6. La segunda capa (2) está seleccionada entre silicio amorfo (a-Si), CdTe (Telururo de Cadmio) y CIGS/CIS.

7. La tercera capa (3) comprende una pluralidad de láminas (31 , 32, 33, 34).

8. La segunda capa (2) y la tercera capa (3) están dispuestas respecto a una fuente de radiación electromagnética en uri orden seleccionado entre:

8a) segunda capa (2) y tercera capa (3);

8b) tercera capa (3) y segunda capa (2).

Es decir, la tercera capa (3) encapsulante puede estar por delante o por detrás de la segunda capa (2) fotovoltaica.

9. El elemento de cerramiento comprende una quinta capa de vidrio intercalada entre la segunda capa (2) y la tercera capa (3). 10. El elemento de cerramiento comprende: una caja de conexiones (5) para transportar una energía eléctrica generada en la segunda capa (2). La caja de conexiones (5) puede estar en una ubicación seleccionada entre por detrás de todas las capas (i , 2, 3, 4) y en un canto del elemento de cerramiento.

La configuración preferente corresponderá a la segunda capa o capa activa fotovoltaica (2) por delante de la tercera capa (3) o conjunto encapsulante, que otorga la característica de color al vidrio; con esta configuración se evitan pérdidas de producción eléctrica derivadas de la absorción de parte del espectro por la tercera capa (3) o encapsulante.

Típicamente, esta capa activa será en base a la tecnología fotovoltaica de lámina delgada basada en silicio amorfo (a-Si). En este caso, la segunda Capa (2) comienza por una aplicación nanométrica de un conductor transparente ^típicamente AZO o ITO); se sigue con la aplicación de la capa n-i-p de silicio amorfo para terminar con la aplicación de un contacto trasero metálico (típicamente Al o Ag). Todas estas deposiciones se realizan mediante técnicas de creación de películas delgadas como sputtering o PECVD. Posteriormente, mediante procesado láser, se eliminan los materiales opacos en pequeñas áreas que se repiten a lo largo de todo el vidrio para permitir el paso de la luz. El área eliminada, determina el grado de transparencia de la capa activa fotovoltaica. Aunque la tecnología láser permite eliminar grandes áreas, típicamente las zonas de material activo eliminado tendrán un grosor del orden de las mieras, de manera que la distancia entre ellas sea lo suficientemente^ pequeña como para que el paso de la luz sea homogéneo. Esto tendrá un efecto directo sobre el confort lumínico interno cuando estos elementos son empleados como cerramientos de edificios que permitan la iluminación natural. [Mas información en WO2010089364 o WO2010123196]

Existe la posibilidad de que la transparencia venga dada, no por la eliminación de parte del material activo por láser, sino porque la aplicación de material absorbente (en este caso a-Si) tenga menos espesor de lo habitual en combinación con dos contactos transparentes. Esta forma de conseguir transparencia en la capa fotovoltaica es análoga a la descrita en el segundo párrafo del punto 2 (Otros casos) Se contempla también la posibilidad de la aplicación de la capa activa tras la tercera capa (3) o encapsulante, siendo ésta también basada en tecnologías fotovoltaicas dé lámina delgada como CIS/CIGS o basadas en compuestos análogos desde el punto de vista de estructura electrónica. La creación de la capa fotovoltaica con esta tecnología comenzaría por la deposición del contacto trasero (típicamente molibdeno), a continuación se depositaría la capa de Culn _x Ga ₍ i. _X) Se ₂ (con 0<x<1 ) para terminar con un contacto transparente. En este caso las propias características del orden de deposición determinan la posición de la capa activa respecto a los encapsulantes.

Una vez incorporada la segunda capa (2) o capa activa fotovoltaica sobre una de las caras internas de las unidades de vidrio monolítico, la unión de todo el conjunto se produce mediante un proceso de laminación específico para este tipo de soluciones. Esta especialización se deriva tanto del hecho de la incorporación de la parte activa fotovoltaica como de las pigmentaciones selectivas incorporadas por la tercera capa (3) o encapsulante.

El proceso continúa con el posicionamiento de los encapsulantes entre las dos unidades monolíticas, donde se deberán disponer en la configuración adecuada para garantizar las propiedades ópticas. El conjunto pasa a la aplicación de presión y temperatura sobre las caras de los vidrios, de manera que, siguiendo cada magnitud unas curvas de comportamiento específicas, el material polimérico supere su punto de transición vitrea y se adhiera, tanto al vidrio sin tratar, como a la cara interna que dispone de la tecnología fotovoltaica; esta dificultad ha sido ya descrita en el estado de la técnica, por ejemplo en US2011315216 párrafo [0011]. Tras este proceso, el conjunto queda ensamblado, solo á falta de la eliminación del encapsulante sobrante de los bordes.

La elección de las características del vidrio podrán ser variables en función de los requerimientos, siendo habitual la utilización de vidrio extraclaro para el vidrio sobre el que incide la radiación. En cuanto a características estructurales, la utilización de vidrio templado será recomendada u obligatoria para diversas aplicaciones.

Este elemento, una vez laminado, es susceptible de ser utilizado como sustituto de cualquier otro tipo de vidrio laminado. Los parámetros del proceso (presión, temperatura y tiempo) determinan así mismo la, interpenetración de unas láminas con otras donde la mezcla de pigmentos pueden variar las propiedades ópticas del conjunto, así como ciertas propiedades mecánicas indispensables en las aplicaciones arquitectónicas y específicas del vidrio de seguridad.

Así mismo, en los casos de utilización de varias láminas de encapsulante, el problema del correcto sellado de los bordes de la unidad laminada se ve incrementado debido al aumento de probabilidad de las zonas de débil unión tanto entre láminas como de estas láminas a los vidrios.

Finalmente, unos elementos conductores colocados adecuadamente como contactos en la zona interna fotovoltaica, son los encargados de conducir la electricidad hasta una caja de conexiones externa. La configuración de estas conexiones podrá ser variable en función de la configuración eléctrica de la capa fotovoltaica.

Más allá de las diticuitades en la etapa de manufactura propias de la unión de ambas tecnologías, existen ciertas características específicas a considerar a lo largo de la etapa de funcionamiento.

Por un lado, la posibilidad de penetraciones de humedad en la zona interior del laminado es especialmente crítica al incorporar una parte de características eléctricas como son los elementos fotovoltaicos. Esto es especialmente complejo en las configuraciones multicapa por su influencia sobre la creación de núcleos de difusión de humedad.

Por otro lado, las características de absorción radiativa de las capas fotovoltaicas ante gran parte del espectro solar, provocan elevaciones de temperatura de la zona interna del vidrio que pueden situarse en 70°C durante un gran número de horas anuales. Esto requiere de una optimización previa en función de los pigmentos incorporados en el encapsulante, así como unos estudios y consideraciones en cuestiones de localización v orientación para la adecuada durabilidad del sistema.