ITRM20110439A1 - Deposito brevetto d'invenzione dal titolo "modulo fotovoltaico a diodi a emissione luminosa" - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“MODULO FOTOVOLTAICO A DIODI A EMISSIONE LUMINOSAâ€

La presente invenzione ha per oggetto un modulo fotovoltaico a diodi a emissione luminosa.

Come à ̈ noto, i diodi ad emissione luminosa, o LED (Light Emitting Diode) come saranno chiamati nel seguito per comodità, sono dispositivi a semiconduttore in cui il passaggio di una corrente o la presenza di una tensione causa una radiazione ottica. A seconda dei materiali utilizzati, l’emissione può cadere in varie fasce dello spettro di radiazione luminoso; ad esempio se il materiale à ̈ arseniuro di gallio drogato con zinco, la luce emessa à ̈ infrarossa, se à ̈ fosfuro di gallio drogato con silicio e zinco, la luce emessa à ̈ verde, se fosfuro di gallio drogato con ossigeno e zinco, rossa.

I LED sono diodi a giunzione e basano il proprio funzionamento sul fatto che in una giunzione PN, al momento del fenomeno delle ricombinazione, i portatori di carica minoritari cedono una parte della loro energia, causando una radiazione ottica.

È inoltre noto che le celle fotovoltaiche o solari sono essenzialmente una giunzione PN con una grande area superficiale. La cella solare comprende un materiale di tipo N, generalmente silicio, unito al materiale di tipo P, di maggiore spessore rispetto al primo, con l’interposizione di una zona di svuotamento, ed un contatto elettrico posteriore. Quando un fotone di luce colpisce un atomo del materiale di tipo N, sposta un elettrone, creando un elettrone libero e una lacuna. Attraverso un collegamento esterno fra il materiale di tipo N e il materiale di tipo P, l’elettrone libero esce dal materiale di tipo N, perché à ̈ attratto dalla carica positiva del materiale di tipo P ed avanza lungo il collegamento esterno creando un flusso di corrente elettrica. La lacuna à ̈ attratta, invece, dalla carica negativa del materiale di tipo N e migra nel contatto elettrico posteriore. Quando l’elettrone entra nel materiale di tipo P dal contatto elettrico posteriore si combina con la lacuna ripristinando la neutralità elettrica.

Da queste precedenti conoscenze della tecnica si à ̈ compreso che anche i LED possano funzionare da celle solari e non da emettitori di luce, benché con un’efficienza inferiore dovuta alle loro dimensioni ridotte rispetto a quelle delle celle fotovoltaiche. Per questo motivo in passato i LED non sono stati usati come celle fotovoltaiche. Infatti, se i LED vengono inseriti in un modulo in piccola quantità non danno una resa apprezzabile perché il rendimento di ogni singolo LED in termini di corrente prodotta à ̈ molto basso; se invece vengono disposte in parallelo serie di un numero elevato di LED, ogni fila della serie provoca il raggiungimento di una corrente di picco che determina l’accensione dei LED e quindi l’emissione all’esterno dell’energia luminosa provocata dal passaggio della corrente, con un risultato opposto a quello che si vuole ottenere. Inoltre, l’assorbimento dell’energia solare in tutto lo spettro della luce sarebbe stato eccessivo per un corretto funzionamento di un modulo fotovoltaico che utilizzasse un numero molto elevato di LED.

Un altro problema dei pannelli fotovoltaici convenzionali à ̈ l’elevato costo dei semiconduttori in silicio che i costruttori devono affrontare per la fabbricazione dei pannelli.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione à ̈ proporre un modulo fotovoltaico a diodi a emissione luminosa che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare, uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di mettere a disposizione un modulo fotovoltaico in grado di funzionare con emettitori di luce invece che con semiconduttori del tipo a giunzione per celle solari, conservando una notevole efficienza.

Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire un modulo fotovoltaico che abbia un numero elevatissimo di LED per ogni singolo modulo senza che ciò influenzi negativamente il suo funzionamento.

Ancora un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire un modulo fotovoltaico in cui i costi dei materiali sono ridotti rispetto ai moduli convenzionali.

Ancora un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di creare un modulo geometricamente adatto a qualsiasi tipo di superficie.

Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un modulo fotovoltaico con materiali di maggiore durata in servizio rispetto ai moduli tradizionali.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un modulo fotovoltaico a diodi a emissione luminosa, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un modulo fotovoltaico a diodi a emissione luminosa, come illustrato negli uniti disegni in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista frontale schematica di un modulo secondo la presente invenzione,

- le figure 2 e 3 sono una vista posteriore e, rispettivamente, laterale del modulo della figura 1,

- le figure 4 e 5 sono sezioni parziali schematiche in scala ingrandita del modulo secondo la presente invenzione in due varianti di montaggio dei diodi; e

- la figura 6 Ã ̈ una vista circuitale parziale di un modulo fotovoltaico secondo la presente invenzione.

Si faccia inizialmente riferimento alle figure 1, 2 e 3 che mostrano schematicamente una vista frontale, una vista posteriore e, rispettivamente, una vista laterale di un modulo fotovoltaico 1 per la conversione della luce solare o artificiale in energia elettrica. Con 2 Ã ̈ indicato un blocco di protezione, convenzionalmente previsto nei pannelli solari, posto sul retro del modulo fotovoltaico 1. Dal blocco di protezione escono cavi di uscita 20 per la raccolta della potenza prodotta.

Il modulo fotovoltaico 1 comprende anteriormente una schiera di elementi di conversione indicati genericamente con 3 e meglio mostrati nelle figure 4 e 5, che sono sezioni parziali schematiche in scala ingrandita del modulo secondo la presente invenzione in due varianti di montaggio dei diodi. In queste figure à ̈ indicato con 4 un profilato periferico di lega leggera, ad esempio di alluminio, e con 5 una lastra di protezione posteriore. Anteriormente il modulo fotovoltaico 1 à ̈ protetto con uno strato 6 di vetro o materia plastica trasparente. Gli elementi di conversione 3 sono una pluralità di LED montati sopra una lastra di supporto 7 a circuito stampato funzionante sia per il collegamento elettrico che per il supporto dei LED 3. I LED 3 sono preferibilmente del tipo funzionante nell’infrarosso. Questi LED 3 non vengono usati nella normale funzione di emettitori di luce che hanno quando sono sottoposti ad una tensione, ma come vere e proprie celle solari. Come si vedrà successivamente, i LED 3 sono disposti in serie e in parallelo per dare la possibilità di avere in uscita dal modulo fotovoltaico 1 una tensione ed una corrente calibrate secondo le necessità dell’utenza a cui l’energia elettrica deve essere destinata. Secondo l’invenzione, i LED 3 sono in grado di funzionare anche nel caso di cielo coperto e offrono una maggiore resistenza meccanica all’usura e migliori prestazioni elettriche rispetto ai LED che captano prevalentemente la radiazione nel visibile. Sopra la faccia della lastra di supporto 7 rivolta verso l’esterno, cioà ̈ verso la fonte di illuminazione à ̈ applicato uno strato 8 di Tedlar<®>, preferibilmente bianco per favorire l’ulteriore irraggiamento. Sotto la lastra di supporto 7 à ̈ prevista una camera d’aria 9 che serve fra l’altro per realizzare e verificare le saldature. Le figure 4 e 5 differiscono l’una dall’altra solamente per la diversa inclinazione dei LED 3: essi nella figura 4 sono orientati con un’inclinazione di circa 30° rispetto alla perpendicolare alla lastra di supporto 7 per essere diretti di per sé nella direzione della sorgente di luce. Nella figura 5, i LED 3 sono disposti perpendicolarmente alla lastra di supporto 7 e ciò richiede che tutto il modulo sia inclinato variamente per essere rivolto verso la sorgente di luce.

Facendo riferimento alla figura 6, che à ̈ una vista circuitale parziale di un modulo fotovoltaico secondo la presente invenzione, i LED 3 sono rappresentati con la loro simbologia convenzionale come se fossero usati da emettitori di luce. I LED 3 formano file 10 di un numero qualsiasi di semiconduttori che sono collegati tra loro in serie, le file essendo collegate in parallelo alle loro estremità con rami 11 portanti ai cavi di uscita 20. I collegamenti circuitali sono realizzati in precedenza con circuiti stampati sulla lastra di supporto 7, mentre i LED 3 sono applicati con l’aiuto di macchine, non mostrate, che eseguono in modo automatico la saldatura. I LED utilizzati hanno dimensioni molto contenute, 1 mm x 1 mm, quando sono privi della custodia di protezione. A titolo di esempio, se vengono posti su un modulo di 2 m x 2 m potrebbero essere idealmente in un numero di 4 milioni, se si trascurassero gli spazi per il loro collegamento. Inoltre, secondo l’invenzione le file di LED 3 in serie sono divise in gruppi 12, separati l’uno dall’altro mediante un dispositivo capace di impedire il raggiungimento di correnti di picco che potrebbero innescare l’accensione di LED 3 in gruppi 12 successivi della stessa fila di LED in serie. Tale dispositivo può essere un resistore 13. Usando LED con determinate caratteristiche, per es. tensione 2 volt, corrente 0,6 mA, si à ̈ notato che i resistori 13, funzionanti da dissipatori, possono essere realizzati anche semplicemente curvando il filo di collegamento tra un gruppo 12 e l’altro della stessa fila 10 di LED secondo un profilo sostanzialmente ad omega. I gruppi 12 sono singolarmente di dodici LED 3, ma questo à ̈ soltanto un esempio. In questo caso la potenza ottenibile da un modulo fotovoltaico secondo l’invenzione sarebbe idealmente di 4,8 kW nell’ipotesi che i LED 3 siano in un numero di 4 milioni e di un irradiamento solare convenzionale di 1.000 W/cm<2>. Tenendo conto delle maggiori dimensioni dei LED 3, anche per lo spazio occupato dalla custodia di protezione e da altri interspazi necessari, si può supporre che il loro numero in una superficie di 4 m<2>sia di circa 3,6 milioni con una conseguente resa di 4,32 kW.

Questa potenza elevata ottenuta da un modulo solare fotovoltaico di circa 4 m<2>dà una misura dell’efficienza del trovato rispetto ai moduli tradizionali che, a parità di irraggiamento convenzionale, richiedono una superficie di circa 8 m<2>per fornire soltanto 1 kW.

Si dovrebbe comprendere che la potenza in corrente elettrica continua non à ̈ subito utilizzabile per alimentare utenze per la necessità di inverter o trasformatori, ma sicuramente à ̈ utile per essere immessa in rete e quindi ceduta al Gestore dei Servizi Energetici.

La fabbricazione di moduli fotovoltaici come quelli precedentemente descritti può essere conveniente se combinata, ad esempio, con il recupero dei LED dallo smaltimento di telecomandi dove i LED sono maggiormente utilizzati attualmente. Inoltre, disponendo in serie gruppi 12 in numero elevato a piacere, comunque intervallati da resistori 13, si ottengono tensioni altrettanto elevate per la loro immissione in rete, anche senza inverter, utilizzabili pure in cabine primarie.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Modulo fotovoltaico a diodi a emissione luminosa, per la conversione della luce solare o artificiale in energia elettrica, comprendente una schiera di elementi di conversione a semiconduttore, caratterizzato dal fatto che detti elementi di conversione a semiconduttore sono diodi ad emissione luminosa (LED) (3), disposti in file (10), collegati elettricamente in serie e divisi in ogni fila (10) in gruppi (12) separati l’uno dall’altro da un dispositivo (13) atto a limitare picchi di corrente capaci di provocare l’accensione dei LED (3) in gruppi (12) successivi, le file (10) di LED (3) essendo collegate tra loro in parallelo alle loro estremità da rami (11) che portano a cavi di uscita (20) per la raccolta della potenza messa a disposizione della rete elettrica.
2. 2. Modulo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo (13) Ã ̈ un resistore.
3. 3. Modulo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto resistore à ̈ realizzato piegando a forma di omega il filo di collegamento tra un gruppo (12) e l’altro di LED (3) di una stessa fila (10).
4. 4. Modulo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i LED (3) sono LED funzionanti nell’infrarosso.