Metodo per la progettazione di concentratori solari ad alta efficienza e concentratore fotovoltaico

Nuovo metodo di design per sistemi solari a concentrazione basato su deformazioni controllate indotte in specchi concavi classici. Viene inoltre proposto uno specifico sistema fotovoltaico ad alta efficienza per la produzione di energia elettrica/termica.

Titolo brevetto Concentratore solare e metodo di ottimizzazione dell'irradianza di tale concentratore solare
Area Ingegneria meccanica, civile e ambientale
Titolarità Alma Mater Studiorum - Università di Bologna e Istituto Nazionale di Astrofisica
Inventori Bruno Marano, Alessandra Giannuzzi, Giuseppe Cosentino, Giovanni Bregoli, Adriano Giuseppe De Rosa, Emiliano Diolaiti, Italo Foppiani, Matteo Lombini, Laura Schreiber
Ambito territoriale di tutela Internazionale
Stato Disponibile per accordi di licenza
Keywords Energia solare, concentratore solare, fotovoltaico ad alta concentrazione (HCPV), ottica non-imaging, ottimizzazione dell’illuminazione, profilo di irradianza, ray-tracing, celle solari multigiunzione (MJ), ricevitore dense array
Depositato il 14/01/2014

Le tecnologie a concentrazione costituiscono una strategia intelligente di sfruttamento della radiazione solare. I concentratori operano grazie ad elementi ottici come lenti e specchi che focalizzano la luce amplificandone il flusso rispetto a quello incidente sulla superficie terrestre. La concentrazione ottica combinata con ricevitori fotovoltaici (nei cosiddetti sistemi CPV) ben si accorda con l’ingegnerizzazione di materiali PV con efficienze sempre crescenti al crescere dell’intensità di illuminazione. In una particolare configurazione chiamata dense array, tali sistemi sono composti da grandi specchi parabolici che collezionano la luce su un ricevitore costituito da un fitto gruppo di piccole celle fotovoltaiche ad alta efficienza elettricamente connesse. Tali efficienze di conversione superano ormai il 40%, quasi il triplo rispetto ai comuni moduli PV piani.

I concentratori composti da specchi a geometrie classiche, accoppiati a ricevitori dense array, soffrono di problemi di rendimento causati dalla diversa illuminazione sulle singole celle del ricevitore. L’efficienza reale può essere di gran lunga inferiore al valore teorico per la singola cella. E’ stato sviluppato un nuovo metodo di progettazione di tali specchi e una specifica applicazione fotovoltaica. La diminuzione dell’efficienza causata dallo scarso matching tra la luce focalizzata e il ricevitore è eliminata grazie all’introduzione di deformazioni controllate nell’ottica primaria: in tal modo la distribuzione della luce concentrata risulta uniforme e della forma necessaria ad adattarsi al meglio al ricevitore. Le ottiche sono state ottimizzate e validate tramite procedure di ray-tracing e il sistema finale mostra un sostanziale miglioramento dell’efficienza rispetto a soluzioni standard, pur non contemplando ottiche secondarie.

Il principale campo di applicazione dell’invenzione è la produzione di energia elettrica/termica 100% rinnovabile. Il sistema proposto è stato dimensionato per una produzione elettrica diretta di 10 KW e termica di 20 KW (in cogenerazione). Punti di forza sono la sua scalabilità e il suo possibile impiego, sia in piccole/medie realtà residenziali che in produzioni energetiche su larga scala, connettendo più sistemi tra loro. Essendo il metodo di design parte integrante del brevetto, è possibile concepire sistemi simili a quello proposto con dimensioni e utilizzi differenti. L’alto livello di concentrazioni ottenibile e il controllo della luce focalizzata rispetto al tipo di ricevitore usato, rendono quest’invenzione particolarmente interessante anche per impianti solari finalizzati a test di materiali e produzione di “clean fuels” tramite reazioni chimiche ad alto rendimento.