Ottica di concentrazione primaria

Le celle multigiunzione, come detto in precedenza, raggiungono elevati livelli di rendimento; tali valori di efficienza non si raggiungono soltanto con la radiazione solare che giunge sulla superficie terrestre, ma servono quantitativi maggiori.

Per aumentare la radiazione incidente sulla cella multigiunzione vengono utilizzate le ottiche di concentrazione primarie che hanno il compito di aumentare la concentrazione della radiazione sulla superficie della cella; le ottiche si possono dividere in base al principio ottico che utilizzano:

 Rifrazione;  Riflessione.

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Ci sono alcuni parametri che consentono di confrontare le diverse tipologie di ottiche; questi parametri sono:

a) Rapporto di concentrazione; b) L’efficienza di concentrazione; c) L’angolo di accettanza.

a) Il “rapporto di concentrazione” è usato per descrivere quante volte la radiazione solare diretta è concentrata sulla superficie della cella fotovoltaica; si possono definire due rapporti di concentrazione: il rapporto di concentrazione ottico ed il rapporto di concentrazione geometrico. Il rapporto di concentrazione ottico (CRO) è definito come l’irraggiamento medio (Ir) sull’area del

ricevitore (Ar), diviso per l’intensità solare incidente sulla cella:

𝐶𝑅𝑂 = 1 𝐴𝑟∫ 𝐼𝑟𝑑𝐴𝑟 𝐼𝑂 =𝐼𝑚,𝑟 𝐼𝑂

Mentre il rapporto di concentrazione geometrico (CRG) è definito come il rapporto tra l’area del

collettore ottico AA e l’area della cella AR.

𝐶𝑅𝐺 =

𝐴𝐴

𝐴𝑅

Il rapporto di concentrazione geometrico è un rapporto tra aree e coincide con il rapporto ottico solo se il sistema ottico di concentrazione è ideale; mentre il rapporto di concentrazione ottico tiene conto anche delle prestazioni del sistema ottico e dell’efficienza ottica di concentrazione.

b) L’efficienza di concentrazione è un parametro che stima le perdite dei sistemi ottici, perché tali sistemi non possono trasmettere la totalità della radiazione incidente. Tale parametro è definito come il rapporto tra la potenza messa a disposizione dal concentratore (Pprodotta) e la potenza incidente

sull’area utile (Psist). Tale parametro può essere calcolato come il rapporto tra il rapporto di

concentrazione ottico e geometrico.

𝜂𝑜𝑡𝑡=

𝑃𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎

𝑃𝑠𝑖𝑠𝑡

Tale valore dipende principalmente dalla trasmittanza del materiale, di norma è compreso tra il 70% ed il 90%.

c) L’angolo di accettanza, è definito come il massimo angolo di errore di allineamento dell’ottica entro il quale la potenza radiante in uscita dall’ottica è il 90% della prestazione massima nominale. Questo parametro è molto importante perché, nelle applicazioni reali, un elevato

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angolo di accettanza consente di mantenere una elevata efficienza anche in presenza di errori di montaggio o errori dovuti all’inseguimento solare.

L’angolo di accettanza viene calcolato come:

𝜃(𝐶) = sin−1_√𝑛

𝐶 Dove n è l’indice di rifrazione (n=1 per l’aria).

Quindi per avere elevati valori di efficienza con elevati rapporti di concentrazione, occorrono sistemi molto precisi.

3.1.2.1 Ottiche primarie rifrattive

Le ottiche che fanno parte di questo gruppo sfruttano il principio ottico della rifrazione espresso dalla legge di Snell.

𝑛1sin 𝜃1= 𝑛2sin 𝜃2

Ovvero un raggio luminoso che attraversa due mezzi con indice di rifrazione diverso subisce una rifrazione della normale all’interfaccia proporzionale al rapporto tra gli indici. Nel caso di raggio perpendicolare all’interfaccia, questo non subisce deviazioni. Se si ha un passaggio da un mezzo più denso ad uno meno denso, si avrà un angolo d’ingresso oltre al quale il raggio viene rifratto completamente, esso è pari a:

𝜃𝑐𝑟𝑖𝑡= 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 (

𝑛2

𝑛1

)

L’indice di rifrazione oltre a dipendere dal mezzo dipende anche dalla lunghezza d’onda della luce incidente, per questo motivo le ottiche che sfruttano il principio della rifrazione saranno soggette alla presenza dell’aberrazione cromatica. Tale fenomeno è dannoso per l’efficienza del sistema fotovoltaico, in quanto la cella non viene irraggiata con uno spettro omogeneo ma ci saranno zone con maggiore densità di radiazione ad una determinata frequenza.

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 Lenti prismatiche;  Lenti Fresnel.

La lente prismatica è una lente, solitamente di forma quadrata, composta da una serie di prismi affiancati, tutti i prismi hanno la proprietà di deviare i raggi che incidono sulla superficie esterna su di un’area focale. Lo spot luminoso prodotto dalla lente prismatiche è di forma quadrata.

Figura 49: Lente prismatica

Le lenti di Fresnel sono il dispositivo ottico che viene maggiormente utilizzato grazie alla semplicità di costruzione. Per la loro realizzazione ci si basa sul disegno di lenti tradizionali; nella maggior parte delle applicazioni non è possibile utilizzare una lente tradizionale, soprattutto con elevati valori di concentrazione in quanto si avrebbe uno spessore della lente troppo elevato e di conseguenza pesi ed ingombri eccessivi. Il passaggio dalla lente tradizionale a quella di Fresnel avviene frazionando la lente sferica in anelli sferici concentrici detti anelli di Fresnel, così da trasformare la lente sferica in una lente con lo stesso potere diottrico ma con uno spessore molto inferiore rispetto alla corrispettiva lente sferica [27]. Oltre a diminuire lo spessore si riesce anche a limitare il cammino ottico del raggio all’interno della lente.

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Le superfici inclinate sono chiamate grooves, al centro avranno una inclinazione quasi nulla mentre spostandosi verso i lati si avrà una inclinazione pari alla curva che eseguirebbe la lente concentrica del diametro corrispondente al centro.

In pratica tale lente è in grado, tramite la superficie piana, di captare la radiazione solare diretta e di convogliarla attraverso i grooves verso un unico fuoco.

Figura 51: Principio di funzionamento della lente di Fresnel

Le lenti Fresnel in passato venivano realizzate in vetro ma poiché il processo produttivo risultava molto costoso e tale materiale inoltre ne limitava la geometria, si è passato a costruire le lenti Fresnel con materie plastiche. Un materiale plastico con proprietà simili al vetro e adatto per questo tipo di applicazioni è il polimetilmetacrilato (PMMA). Questo materiale, oltre alle sue proprietà ottiche e di resistenza agli agenti atmosferici, è particolarmente adatto perché non viene danneggiato dallo spettro UV e garantisce un ottima trasmissione nelle lunghezze d’onda utilizzate dalle celle fotovoltaiche a tripla giunzione [28][29][30]. Una lente di Fresnel correttamente progettata può sostenere il funzionamento prolungato nonostante l'esposizione alla grandine e tempeste di sabbia. Alcune misure sperimentali hanno valutato le prestazioni ottiche di questa tipologia di lente; e si è visto che in 20 anni le prestazioni ottiche sono diminuite dal 1% al 4% [30].

I principali parametri per la costruzione di una lente Fresnel sono:  Distanza focale,

 Numero focale (f/#), ovvero il rapporto tra la distanza focale e la sua apertura. Una lente con numeri f/# alti, presenta distanze focali maggiori rispetto al diametro; di conseguenza la luce deve essere deviata di un angolo piuttosto ridotto per poter raggiungere il punto focale. Questa tipologia di lenti è detta “lenta”. Invece lenti con f/# ridotti hanno un fuoco molto vicino alla lente e la rifrazione dei raggi deve essere molto forte; queste lenti vengono dette “veloci”. Per quanto riguarda le perdite le lenti “veloci” presentano maggiori perdite

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nell’interfaccia aria-materiale ottico perché i raggi devo essere fortemente rifratti. Invece lenti che hanno valori di f/# maggiori sono meno critiche e riducono problemi come l’aberrazione cromatica.

 Pitch groove, ovvero il passo tra gli anelli. Più il passo è ridotto, più l’ottica è precisa, però comporta maggiori perdite dovuto allo scattering.

Le prestazioni ottiche della lente Fresnel dipendono da diversi parametri: trasmissione ottica, numero focale, riflettività della superficie della lente, l’angolazione dei groove e le imperfezioni di produzione [31]. In particolare, per i sistemi a concentrazione, Davis [32] suggerisce di utilizzare una lente Fresnel con numero focale maggiore di uno per ridurre la riflessione. Il processo di fabbricazione può introdurre alcune perdite geometriche [33]: le principali cause della riduzione di efficienza delle lente Fresnel sono gli angoli di spoglia dello stampo, in quanto solitamente la lente viene ottenuta per stampaggio, e arrotondamento degli angoli di sfaccettatura [34].

3.1.2.2 Ottiche primarie riflessive

Le ottiche primarie riflessive sfruttano il principio della riflessione, ovvero la radiazione solare viene riflessa verso la cella fotovoltaica; questi dispositivi, al contrario delle lenti rifrattive, non soffrono delle aberrazioni cromatiche.

È fondamentale la scelta del materiale per massimizzare la radiazione solare riflessa; normalmente viene utilizzato l’alluminio anodizzato che consente di avere un indice di riflettività pari al 95%. Le ottiche primarie riflessive più comuni sono:

 Ottica di Cassegrain;  Specchio parabolico;  Concentratori lineari.

L’ottica di Cassegrain a differenza di altri sistemi utilizza due superfici ottiche; l’ottica è formata da

uno specchio parabolico concavo che ha il compito di raccogliere la radiazione solare diretta e di rifletterla su di uno specchio iperbolico convesso che a sua volta concentra la radiazione solare sulla cella fotovoltaica.

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Figura 52: Ottica di Cassegrain

Gli specchi parabolici riflettono la luce incidente in un unico fuoco, ovvero nel fuoco della parabola

Figura 53: Specchio parabolico

In commercio si trovano molte configurazioni possibili come concentratori parabolici lineari o puntuali e a V.

Figura 54: Concentratori con ottiche primarie riflessive puntuali, lineari e a V

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manutenzione, ed inoltre sono soggetti ad accumulo di sporco ed esposti ad ossidazione.