D E S C R I P C I ó N

Dispositivo para el aprovechamiento de Ia energía solar de tipo fotovoltaico

Sector técnico de Ia invención

La invención hace referencia a dispositivos de aprovechamiento de Ia energía solar de tipo fotovoltaico. Más en particular, Ia presente invención hace referencia a una nueva disposición que permite mejorar Ia eficacia y eficiencia de los dispositivos de tipo conocido.

Antecedentes de Ia invención

Los dispositivos fotovoltaicos comprenden, por regla general, una placa fo- tovoltaica con una superficie de recepción de radiación solar, en Ia que se dispone un conjunto de células fotovoltaicas que presentan una diferencia de potencial eléc- trico en respuesta a Ia radiación solar recibida en Ia citada superficie. Por motivos de protección, es habitual disponer de un vidrio templado que cubre Ia citada superficie. Por otro lado, las placas aprovechan únicamente una parte limitada de Ia radiación, situada alrededor del espectro visible.

Los dispositivos de este tipo presentan dos problemas principales: En primer lugar, las placas solares disminuyen su potencia de salida cuando aumenta Ia temperatura de Ia superficie. Como consecuencia, cuando Ia aportación energética es mayor, Ia temperatura también es máxima y Ia potencia disminuye.

En segundo lugar, en los paneles fijos, sólo se consigue un rendimiento aceptable cuando el sol se encuentra en un ángulo alrededor de Ia perpendicular de Ia placa o "tilt" de 40°. Esta limita las horas de aprovechamiento.

El primer problema afecta al propio diseño de Ia placa solar, que debe ser diseñada atendiendo a las condiciones de temperatura máxima, sin atender a criterios de minimización de Ia superficie o aumento medio del rendimiento o potencia. Para solucionar dicho problema, resulta conocida Ia disposición de intercambiado- res de calor a Ia cara de Ia placa opuesta a Ia superficie de recepción de radiación solar. Ejemplos de soluciones de este tipo se describen en los documentos DE 20 2006010460 U1 y KR 20040081816. Esta solución, sin embargo, no resulta suficiente, por cuanto los materiales en los que se realizan las placas son malos conductores térmicos y, por Io tanto, no se consigue una disminución de Ia temperatura

HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26)

que provoque un aumento de rendimiento que a su vez compense Ia complejidad del intercambiador que debe ser colocado en Ia parte posterior.

En referencia al segundo problema, resulta conocida Ia disposición de dispositivos de orientación de placas que hacen que las placas "sigan" el movimiento del sol a Io largo del día. Dichos dispositivos son complicados y, por ello, difícilmente utilizables en aplicaciones domésticas o pequeñas industriales. Además, los dispositivos de orientación consumen energía para orientar las placas.

Explicación de Ia invención Es un objetivo de Ia presente invención dar a conocer un dispositivo de aprovechamiento solar de tipo fotovoltaico que solucione los inconvenientes antes mencionados. El dispositivo según Ia invención comprende al menos una célula solar fotovoltaica que determina una superficie de incidencia de Ia luz solar y en esencia se caracteriza porque comprende unos medios para interponer entre el origen de Ia luz a aprovechar y Ia superficie de incidencia de dicha célula solar una capa de un líquido en movimiento con un índice de refracción superior al del aire.

Ventajosamente, al presentar un índice de refracción superior al del aire, Ia capa de líquido aumenta el ángulo solar o "tilt" para el que el aprovechamiento de Ia radiación solar es máximo. En efecto, según Ia Ley de Snell, cuando un rayo lumi- noso pasa de un medio (por ejemplo aire), con un índice de refracción n ₁ a un segundo medio de refracción n ₂ (por ejemplo agua), incidiendo con un determinado ángulo B ₁ con respecto a Ia perpendicular a Ia superficie de contacto entre ambos medios, éste varía su ángulo θ ₂ con respecto a Ia citada perpendicular, acercándose a ésta, siempre que el índice de refracción n ₂ del segundo medio sea mayor que el índice de refracción ni del primer medio, según Ia fórmula:

ni sin θi = n ₂ sin θ ₂ ; n ₂ > n _!

Si el tilt máximo de aprovechamiento solar de una placa de tipo conocido es θ _tl | _t i, Ia disposición de una capa de un líquido según Ia presente invención aumenta el ángulo de incidencia solar y el aprovechamiento de Ia placa es optimizado, puesto que Ia capa de líquido aproxima Ia radiación a Ia perpendicular de Ia superficie de incidencia de las células solares que forman Ia placa solar. Matemáticamente:

θtnt2 = are sin (H ₂ Zn ₁ sin θ _t ,ι _t1 ) de donde se deduce que θ _m > θ _m si n ₂ > ni.

Para obtener resultados ventajosos, no resulta necesario que Ia capa del Ii- quido sea excesivamente gruesa, es decir, mediante capas finas se evita Ia eliminación de fotones durante el paso de Ia radiación por Ia capa del líquido. En concreto, según los estudios realizados por el inventor, Ia capa de líquido presenta un espesor igual o inferior a 2 mm.

El dispositivo objeto de Ia presente invención presenta según las reivindica- ciones 3 y 4 las siguientes ventajas:

La capa del líquido en movimiento refrigera las células fotovoltaicas precisamente por el lado que reciben Ia radiación solar, que es el que sufre un aumento mayor de temperatura. La refrigeración es, por Io tanto, más efectiva, especialmente si Ia capa del líquido en movimiento está en contacto con dichas células. - El líquido de Ia capa del líquido en movimiento puede elegirse con propiedades filtrantes para el aspecto infrarrojo. Al impedir Ia aplicación de radiación infrarroja sobre Ia superficie de recepción, se evita el aumento de temperatura de las células sin disminuir el aprovechamiento fotovoltaico, por cuanto las células no aprovechan el espectro infrarrojo. Por ello, Ia capa de líquido está preferentemente consti- tuida por una solución acuosa desionizada, que presenta excelentes propiedades de retención de las radiaciones ultravioletas, siendo transparente a Ia radiación visible y presentando altos valores de densidad y capacidad calorífica.

De acuerdo con Ia reivindicación 5, Ia presente invención presenta además Ia ventaja de que es aplicable a placas solares existentes, con Ia provisión de un artificio que forma una capa de un líquido que "cae" a modo de cortina, sobre el exterior del vidrio templado que convencionalmente cubre Ia placa solar de los dispositivos conocidos. De esta manera, como se observa, no es necesario disponer un intercambiador de calor sofisticado para refrigerar el dispositivo.

Adicionalmente, según las reivindicaciones 6 a 8, con objetivo de aumentar adicionalmente el tilt de las células, puede disponerse al menos una lámina transparente con índice de refracción superior al del aire de manera superior a las células solares fotovoltaicas y formando un ángulo oblicuo con respecto a Ia superficie de incidencia de éstas para acercar rayos solares oblicuos a Ia perpendicular de dichas células solares fotovoltaicas y dirigirlos hacia éstas.

La lámina, por ejemplo de vidrio, podrá presentar una densidad variable, de tal manera que se desvíe Ia trayectoria de aquellos rayos que, por su ángulo próximo a Ia horizontal, escaparía de Ia superficie de transformación fotovoltaica.

La densidad variable podrá obtenerse, por ejemplo, disponiendo franjas con- tiguas de densidad creciente. Preferentemente, Ia densidad será mayor en los puntos de Ia superficie más alejados de las células solares.

Según otro aspecto de Ia invención, se da a conocer una instalación según Ia reivindicación 9.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos adjuntos se ilustra, a título de ejemplo no limitativo, distintos modos de realización preferidos del dispositivo objeto de Ia invención. En dichos dibujos:

Ia Fig. 1 , es un esquema en el que se observa el principio en el que se basa el aumento del "tilt" obtenido según Ia presente invención; las Figs. 2a, 2b y 2c, son tres gráficos que muestran el rendimiento teórico, el real obtenido mediante placas de células fijas de tipo conocido y el obtenido con un dispositivo según Ia presente invención, respectivamente;

Ia Fig. 3, es una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, de una reali- zación de un dispositivo, según Ia presente invención;

Ia Fig. 4, es un esquema de otro dispositivo según Ia presente invención, en el que el líquido de Ia capa del líquido es recirculado;

Ia Fig. 5, es una vista en perspectiva de otro dispositivo según Ia presente invención; y Ia Fig. 6, es una vista esquemática en alzado lateral que muestra un principio de funcionamiento de Ia realización de Ia Fig. 5.

Descripción detallada de los dibujos

En Ia Fig.1 se ha representado de manera esquemática el principio de fun- cionamiento del dispositivo objeto de Ia presente invención. Como puede observarse, el ángulo de incidencia de los rayos solares varía con Ia posición del sol y, por ende, con el momento del día. Sin embargo, Ia placa fotovoltaica, provista de distintas células 2 solares fotovoltaicas, resulta eficiente solamente dentro de un deter-

minado ángulo α alrededor de Ia perpendicular de Ia placa. Otro problema asociado es el aumento de Ia temperatura de Ia placa por Ia exposición a Ia radiación solar.

La presente invención propone interponer una capa de un líquido 4 en movimiento entre el sol y las células 2 solares fotovoltaicas de Ia placa, de tal manera que los rayos solares deban atravesar Ia capa del fluido ó líquido 4 en movimiento. Además, el fluido presenta un coeficiente de refracción superior al del aire. De manera ventajosa, el coeficiente de refracción es Io más alto posible. Dado que, en general, los materiales más densos presentan mayores coeficientes de refracción, el fluido a utilizar será preferentemente un líquido. La capa del líquido 4 en movimiento, dado su coeficiente de refracción elevado, desvía los rayos solares hacia Ia perpendicular a las células 2 solares de Ia placa, con Io que aumenta el aprovechamiento de los rayos. Además, el líquido refrigera las células 2 solares fotovoltaicas de Ia placa. El líquido puede estar en contacto directo con las células 2 solares o bien puede disponerse, por ejemplo a modo de cortina, por encima de un vidrio transparente protector de Ia placa. Obviamente, cuando el líquido está en contacto directo con las células 2 solares de Ia placa Ia disminución de Ia temperatura de Ia placa es mayor para una misma temperatura de placa. A cambio, el líquido debe estar exento de agentes que puedan atacar las células 2 solares de Ia placa. Por ello, por ejemplo, puede utilizarse una solución acuosa desionizada.

En las Figs. 2a, 2b y 2c se observan tres gráficos de rendimiento de placas fotovoltaicas fijas en función del momento del día, es decir, en función del ángulo de incidencia de los rayos solares. En los gráficos, el rendimiento se expresa como porcentaje sobre el rendimiento máximo teórico y las horas son horas solares. La gráfica X representa una gráfica teórica de una placa fotovoltaica fija de tipo conocido, como se observa, el rendimiento disminuye bruscamente fuera de las horas de sol centrales. La gráfica Y es Ia gráfica de una placa real. Con respecto a Ia gráfica teórica X se observa que el rendimiento disminuye debido al aumento de Ia temperatura. La gráfica Z corresponde a un dispositivo según Ia presente inven- ción, en Ia que el cociente rendimiento máximo obtenido con respecto al máximo teórico o obtenible se aproxima al 100% debido a Ia refrigeración de Ia placa y, además, aumenta el número de horas con rendimiento elevado debido al efecto Snell que se obtiene mediante Ia capa del líquido.

Las Figs. 3 y 4 muestran dos posibles realizaciones de un dispositivo 1 objeto de Ia presente invención.

En el dispositivo 1 de Ia Fig. 3 se observa una placa de células 2 solares protegida mediante una cubierta 3 constituida por un vidrio templado de alta trans- mitabilidad, formándose entre Ia placa y Ia cubierta 3 un espacio, estanco, por el que se hace circular el líquido. Se observa que el citado espacio o cámara estanca está dotada de una entrada 41 y una salida 42 a través de los cuales puede introducirse y extraerse respectivamente el líquido, para formar una capa de líquido 4 en movimiento, inmediatamente por encima de las células 2 solares fotovoltaicas. El líquido -por ejemplo agua desionizada- calentado una vez ha refrigerado

Ia placa, puede utilizarse para aplicaciones técnicas o bien ser reciclado, tras pasar por ejemplo por un refrigerador 13, un motor ó bomba de recirculación 11 y un depósito regulador 12. La temperatura del líquido introducido a través de Ia entrada 41 será preferiblemente inferior, en uso, a Ia de las células 2 solares de Ia placa (ver Fig.4).

A efectos de Ia presente invención, no es necesario incluir un refrigerador activo que consuma energía eléctrica. Con un refrigerador pasivo es posible efectuar una recirculación de agua con un mínimo de consumos eléctricos. Con este mismo fin, en algunos casos, será posible, por ejemplo, disponer de Ia bomba de recirculación 11 y conseguir una recirculación de agua por gravedad. En el caso de que el líquido no sea reciclado, es posible utilizar el líquido en un circuito de agua caliente sanitaria (ACS), por ejemplo, para aportar calor al agua corriente.

Las Figs. 5 y 6 muestran una realización adicional preferente cuya finalidad es captar rayos solares de inclinación cercana a Ia horizontal y que caen fuera de Ia zona de las células 2 solares fotovoltaicas de Ia placa, y enviarlos hacia Ia capa del líquido 4 y las células 2 en dirección perpendicular a Ia placa.

Para ello se dispone de un soporte 102 y dos láminas 101 transparentes que forman ángulo oblicuo con las células 2 de Ia placa. El principio de funcionamiento puede verse en Ia Fig. 6. Como se observa en esta figura, Ia lámina 101 presenta una densidad variable, Io que Ie proporciona un cociente de refracción variable. Como se observa, el cociente de refracción (densidad) es mayor en los puntos más alejados de Ia superficie de las laminas 101. Esto puede conseguirse, por ejemplo, disponiendo de manera contigua tipos de vidrio de diferente coeficiente de refracción o densidad.

Si bien la invención se ha descrito con respecto a un ejemplo de realización preferente, éstos no se deben considerar limitativos de Ia invención, que se definirá por Ia interpretación más amplia de las siguientes reivindicaciones.