logo

Lab. COLLETTORI SOLARI

Collettori accoppiati a celle fotovoltaiche

I concentratori solari in generale devono soddisfare i seguenti requisiti:

Un altro requisito fondamentale nella progettazione del collettore sono le dimensioni e uniformità dell'immagine che devono essere dimensionati in modo da potersi accoppiare con le caratteristiche della cella fotovoltaica scelta.

Uno dei più diffusi tipi di lenti è la lente di Fresnel, la quale è largamente impiegata come collettore di luce solare.
Il principale vantaggio di questo componente ottico è il suo spessore molto sottile. La lente di Fresnel è concepita per avere solo la curvatura della superficie ottica senza essere riempita con il materiale costituente la lente. In pratica una lente di Frenel può essere ottenuta da una lente ordinaria sezionando la lente in anelli circolari, dal centro sull’asse ottico, e tenendo soltanto il bordo (di spessore 2 – 3 mm) di ogni sezione concentrica. Il risultato è una lente che assomiglia ad un vecchio disco LP in vinile ed è caratterizzata da una simmetria ad anelli concentrici, con diverse curvature e distanze dal centro della lente. Tipicamente le lenti di Fresnel sono realizzate in plastica, con spessore di pochi millimetri. Come concentratori solari le lenti di Fresnel possono raggiungere livelli di efficienza di collezione piuttosto alti. Possono essere accoppiate a celle PV, però necessitano di un secondario per omogenizzare il fascio incidente sulla cella e ridurre le perdite, in quanto la cella PV è di forma quadrata mentre l'immagine creata dalla lente è rotonda.

Alcuni concentratori presentano una configurazione originale chiamata Concentratore Catadiottrico Monoblocco (CCM), che è stata studiata in modo da ottimizzare sia le caratteristiche ottiche (efficienza di collezione, aberrazioni, ecc) che la compattezza del componente da realizzare (dimensioni e peso).
Il principio ottico di questo collettore consiste in due elementi ottici in configurazione coassiale, in modo simile a quella Cassegrain. Il CCM è realizzato in un unico pezzo, ciò permette di ottenere un oggetto caratterizzato da dimensioni ridotte e grande stabilità meccanica. Per incrementare l'efficienza il CCM ha superfici asferiche, la cui realizzazione richiede lo sviluppo di particolari procedure di produzione, ciò rende la realizzazione del componente complessa e cara. Anche queste lenti producono un'immagine del sole rotonda per cui va valutata l'inserzione di un secondario.

Un altro interessante collettore plastico applicato alla concentrazione di luce solare è la Lente Prismatica, che ha il grande vantaggio di di creare un’immagine quadrata. Anche questo elemento ottico ha spessore molto ridotto, dell’ordine di pochi millimetri (5 – 6 mm). Il principio di costruzione della lente prismatica è simile al concetto di realizzazione di Fresnel, ma per la lente prismatica la simmetria è ortogonale invece che radiale come per le lenti di Fresnel. La superficie della lente prismatica è suddivisa omogeneamente con un reticolo che copre l’area della lente. L’elemento base, denominato “tessera” come in un mosaico, è un prisma con facce orientate in modo da dirigere la luce a formare l’immagine desiderata. Le dimensioni e l’orientazione del prisma di ogni “tessera” vengono calcolate tramite un opportuno progetto ottico per concentrare la luce sull’immagine. Nel campo della concentrazione solare la corretta progettazione deve essere condotta in modo che l’immagine creata dalla lente prismatica corrisponda all’area della cella PV, la quale tipicamente ha forma quadrata, creando allo stesso tempo uno spot il più omogeneo possibile

CNR-INO Istituto Nazionale di Ottica - Largo Fermi 6, 50125 Firenze - Tel. +39 05523081 - P.iva 02118311006 - Info: info@ino.cnr.it