ES2323931B1 - Placa solar termoelectrica. - Google Patents

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Abstract

Placa solar termoeléctrica del tipo de las utilizadas para la generación de energía eléctrica a partir de la energía solar, caracterizada porque comprende en su parte anterior una placa colectora de la energía solar, en su parte intermedia una pluralidad de módulos generadores termoeléctricos de tipo Seebeck, y en su parte posterior un elemento refrigerador, estando todo ello relacionado entre sí por presión mediante los oportunos medios mecánicos de fijación.
Esta invención que se presenta aporta múltiples ventajas sobre los dispositivos equivalentes disponibles en la actualidad siendo la más importante que la superficie colectora o cara vista de la placa, puede ser de prácticamente cualquier material arquitectónico, pudiendo integrarse directamente en la estructura de un edificio, tanto en cubiertas como en fachadas.

Description

Placa solar termoeléctrica.
\global\parskip0.950000\baselineskip
La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un placa solar termoeléctrica del tipo de las utilizadas para la generación de energía eléctrica a partir de la energía solar, caracterizada porque comprende en su parte anterior una placa colectora de la energía solar, en su parte intermedia una pluralidad de módulos generadores termoeléctricos de tipo Seebeck, y en su parte posterior un elemento refrigerador, estando todo ello relacionado entre sí por presión mediante los oportunos medios mecánicos de fijación.
El efecto de la generación de energía eléctrica en un termopar metálico sometido a una diferencia de temperatura en sus uniones, también conocido como efecto Seebeck, fue descubierto por Thomas Johann Seebeck ya en el siglo XIX. La fórmula que caracteriza este efecto es
V = a (Tc - Tf),
donde:
V = Voltaje (en Voltios, V)
a = Coeficiente de Seebeck, característico de cada termopar (v/ºK)
Tc = Temperatura de la unión caliente (grados Kelvin, ºK)
Tf = Temperatura de la unión fría (grados Kelvin, ºK)
Los coeficientes de Seebeck de los termopares metálicos son muy discretos y producen voltajes bajos que limitan su utilización como generadores eléctricos a la existencia de grandes saltos térmicos, del orden de centenares de grados, por lo que tradicionalmente se han utilizado únicamente en aquellos casos en los que existe abundancia de energía calorífica, como por ejemplo pilas nucleares en el caso de las sondas espaciales, quemadores en gaseoductos y oleoductos, gases de escape de maquinaria pesada, etc., o bien en situaciones muy particulares de escasa accesibilidad, como por ejemplo en el espacio profundo o en estaciones remotas o aisladas.
En el campo de las energías renovables, la limitada cantidad de energía eléctrica que se podía obtener ha hecho que se descarte comercialmente la utilización de generadores eléctricos basados en el efecto Seebeck, en beneficio de generadores fotovoltaicos y aerogeneradores, ampliamente conocidos y utilizados en la actualidad.
El desarrollo de los materiales semiconductores ha permitido la fabricación de módulos compactos que agrupan en pequeñas superficies multitud de termopares, cada uno de ellos con un coeficiente de Seebeck notablemente superior al de los metálicos. Estos módulos son capaces de alcanzar voltajes y potencias eléctricas apreciables incluso a diferencia de temperaturas moderadas, del orden de decenas de grados, como las que se obtienen en las superficies expuestas a la radiación solar, lo que permite su utilización como generadores viables.
Los módulos Seebeck aptos para producir energía eléctrica basándose en este efecto son conocidos también como generadores termoeléctricos o termoeléctricos, TEGs, o termopilas.
En la actualidad, los dispositivos conocidos y utilizados para aprovechar la radiación solar en la producción de energía más habituales a nivel doméstico son principalmente de dos tipos:
1.- Paneles fotovoltaicos: Paneles, por lo general de células de silicio, sensibles a la luz del sol y capaces de producir del orden de 100 watios por metro cuadrado. Su utilización es muy común, en buena medida gracias a su relativo abaratamiento, sobre todo en ubicaciones alejadas de la red eléctrica y también en edificios que disponen de una superficie apta suficientemente amplia (viviendas unifamiliares, edificios públicos,...), ya que son difícilmente integrables en la estructura arquitectónica. Se utilizan también en los llamados "huertos solares", instalaciones industriales de generación de energía. Presentan los siguientes problemas e inconvenientes:
\bullet
La propia estructura de los paneles, en los que la superficie fotosensible de silicio tiene que estar expuesta a la luz solar, hace que sean frágiles y requieran de un mantenimiento y limpieza periódicos.
\bullet
Baja integrabilidad arquitectónica.
\bullet
El rendimiento eléctrico del panel fotovoltaico decrece con el aumento de temperatura del mismo. Conforme la radiación solar calienta la superficie fotosensible, la corriente eléctrica decrece.
\bullet
La competencia por el silicio con la industria informática hace temer una escasez en la oferta de este material y un eventual encarecimiento de los paneles.
\bullet
Únicamente generan energía eléctrica.
\global\parskip0.930000\baselineskip
2.- Colectores solares: Son paneles diseñados para aprovechar la radiación solar para calentar fluidos, generalmente agua caliente de uso sanitario (ACS) o, en menor medida, para uso industrial. También su uso se ha generalizado particularmente para la obtención de ACS. Tiene como principales inconvenientes:
\bullet
Como los paneles fotovoltaicos, también tienen el problema de la fragilidad, el mantenimiento y la baja integrabilidad arquitectónica.
\bullet
No producen electricidad.
Se ha intentado buscar otras soluciones. Por ejemplo las patentes ES 542450 "Un generador termoeléctrico con factor de potencia mejorado", ES 432173 "Un dispositivo generador eléctrico perfeccionado junto con un convertidor termoeléctrico y una fuente primaria para el mismo" y US 581506 "Un aparato generador termoeléctrico" describen dispositivos basados en el efecto Seebeck para lograr la generación de electricidad a partir del calor, pero presentan el problema, tal y como se ha descrito anteriormente, de necesitar un elevado gradiente de temperatura, por lo que únicamente son utilizables para obtener electricidad a partir de un regulador nuclear.
También son conocidas otro tipo de realizaciones basadas en el efecto Seebeck. Por ejemplo el Modelo de Utilidad 200501577 "Dispositivo de iluminación con recuperación de energía" presenta un dispositivo para la generación de electricidad a partir del calor generado por un dispositivo de iluminación a LED, aunque presenta el inconveniente de no ser directamente aplicable a la generación a partir de energía solar.
También son conocidas realizaciones como la descrita en el Modelo de Utilidad 230226 "Dispositivo generador de frío", que emplean el mismo principio para el efecto inverso, obteniendo frío a partir de electricidad.
Para solventar la problemática existente en la actualidad en cuanto al problema de la generación de energía eléctrica a partir de la energía solar se ha ideado la placa solar termoeléctrica objeto de la presente invención, la cual comprende en su parte superior una placa colectora de la energía solar, en su parte intermedia una pluralidad de módulos generadores termoeléctricos de tipo Seebeck, y en su parte inferior un elemento refrigerador, estando todo ello relacionado entre sí por presión mediante los oportunos medios mecánicos de fijación.
La placa colectora de energía solar se puede realizar utilizando cualquiera de los materiales comunes en acabados arquitectónicos, como por ejemplo metal, cemento, hormigón, ladrillo, porcelana, cerámica, o plásticos, lo cual le permite integrarse directamente en la estructura de un edificio, tanto en cubiertas como en fachadas. Esta placa colectora de energía solar incrementa su temperatura mediante la absorción de la radiación solar, transmitiendo ese calor a los módulos generadores termoeléctricos Seebeck que están en contacto directo o por medio de material termoconductor con la placa colectora por su cara caliente.
En caso de que sean más de un módulo, estos están conectados eléctricamente entre ellos en serie, en paralelo o en la combinación serie/paralelo más oportuna al objeto de obtener una corriente eléctrica de características adecuadas.
La cara fría de los módulos generadores termoeléctricos Seebeck se encuentra en contacto directo o mediante material termoconductor con el elemento refrigerador, el cual puede estar constituido por un radiador de calor directamente "al aire" (con aletas u otro diseño difusor de calor) o bien de forma alternativa por unas conducciones apropiadas, a través de las cuales circula un fluido refrigerador, que propicia la utilización del calor retirado de la placa termoeléctrica para otros usos, como por ejemplo agua caliente sanitaria.
Para provocar el efecto invernadero y potenciar el aumento de temperatura, la placa colectora puede estar dotada opcionalmente de una cubierta transparente a la radiación solar y termoaislante.
Esta placa solar termoeléctrica que se presenta aporta múltiples ventajas sobre los dispositivos equivalentes disponibles en la actualidad siendo la más importante que la superficie colectora o cara vista de la placa, puede ser de prácticamente cualquier material arquitectónico, pudiendo integrarse directamente en la estructura de un edificio, tanto en cubiertas como en fachadas.
Es importante asimismo destacar la ventaja que supone que la superficie colectora es de material resistente, difícilmente alterable y precisa de poco o ningún mantenimiento o limpieza.
Otra importante ventaja a destacar es que el rendimiento eléctrico del panel termoeléctrico es función lineal directa de la diferencia de temperatura entre la superficie colectora y el difusor, con lo cual a mayor irradiación y gradiente de temperatura se obtiene más corriente eléctrica.
Es importante destacar asimismo la ventaja que supone que la capacidad de producción de la industria de módulos termoeléctricos excede en mucho a la demanda, por lo que no es previsible un encarecimiento de los módulos por falta de suministro, además de la ventaja añadida de que el resto de los componentes del panel termoeléctrico son elementos estándar.
No debemos dejar de resaltar la innegable ventaja que implica la alternativa de refrigeración por fluido del difusor, ya que permite obtener agua caliente como segundo producto, consiguiendo la producción combinada de electricidad y agua caliente en una única placa.
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Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una realización práctica preferencial de una placa solar termoeléctrica.
En dicho plano la figura -1- muestra unas vistas en alzado, planta y perfil, con un detalle ampliado, de un ejemplo de placa solar termoeléctrica con placa colectora al aire y elemento refrigerador del tipo de radiador al aire.
La figura -2- muestra un ejemplo de placa solar termoeléctrica adaptada según orientación y latitud mediante un ángulo calculado en función de la orientación de la placa y/o latitud.
La figura -3- muestra un ejemplo de realización alternativa de placa solar termoeléctrica con placa colectora dotada de cubierta para efecto invernadero.
La figura -4- muestra un ejemplo de realización alternativa de placa solar termoeléctrica con elemento refrigerador mediante fluido circulante.
La placa solar termoeléctrica objeto de la presente invención, esta formado básicamente, como puede apreciarse en el plano anexo, por una placa colectora (1) de la energía solar, en su parte intermedia una pluralidad de generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck, y en su parte inferior un elemento refrigerador (3,4), estando todo ello relacionado entre sí por presión mediante los oportunos medios mecánicos de fijación (5).
El elemento refrigerador está constituido por un radiador (3) o bien de forma alternativa por unas conducciones (4) a través de las cuales circula un fluido (9) refrigerador.
El espacio entre la placa colectora (1) y el elemento refrigerador (3,4) que no queda ocupado por los generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck se rellena con material termoaislante (6).
La placa colectora (1) de energía solar se puede realizar utilizando cualquiera de los materiales comunes en acabados arquitectónicos, como por ejemplo metal, cemento, hormigón, ladrillo, porcelana, cerámica, plástico, lo cual le permite integrarse directamente en la estructura de un edificio, tanto en cubiertas como en fachadas. Puede ser plana o bien adoptar una forma inclinada o escalonada en un oportuno ángulo (8) calculado en función de la orientación de la placa y/o latitud para obtener el máximo de incidencia de los rayos solares.
Esta placa colectora (1) de energía solar incrementa su temperatura mediante la absorción de la radiación solar, transmitiendo ese calor a los generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck que están en contacto directo, o bien por medio de un material termoconductor intermedio, con la placa colectora (1) por su cara caliente.
En caso de que exista más de un generador termoeléctrico (2), estos están conectados eléctricamente entre ellos en serie, en paralelo o en la combinación serie/paralelo más oportuna al objeto de obtener una corriente eléctrica de características adecuadas. La corriente eléctrica generada se entrega mediante los oportunos cables de conexión a un circuito externo.
La cara fría de los generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck se encuentra en contacto directo, o bien por medio de un material termoconductor intermedio, con el elemento refrigerador constituido preferentemente por un radiador (3) que transfiere ese calor directamente al aire, del tipo de aletas u otro diseño difusor de calor equivalente.
Esta prevista una realización alternativa de la invención en la que el elemento refrigerador está constituido por unas conducciones (4) a través de las cuales circula un fluido (9) refrigerador, que propicia la utilización del calor retirado de la placa termoeléctrica para otros usos, como por ejemplo agua caliente sanitaria. En esta realización alternativa está previsto asimismo que el flujo del fluido (9) refrigerador pueda ser variable mediante un grifo o válvula reguladora, permitiendo obtener fluido (9) a temperatura regulable en función de la posición del grifo o válvula reguladora, ya que en función de la cantidad de fluido (9) circulante la refrigeración obtenida será mayor o menor, y por tanto la temperatura que alcance será diferente.
Para provocar el efecto invernadero y potenciar el aumento de temperatura, la placa colectora (1) puede estar dotada opcionalmente de una cubierta traslucida (10) a la radiación solar y termoaislante, fijada mediante los oportunos perfiles de sujeción (11).
Los medios mecánicos de fijación (5) pueden ser cualesquiera de los elementos mecánicos convencionalmente utilizados, por ejemplo tornillería o mordazas termoaislantes, que aseguren la ruptura del efecto puente térmico y que la transferencia de calor entre ambas superficies se realiza exclusivamente a través los módulos Seebeck.
El funcionamiento de la placa solar termoeléctrica se basa en que la radiación solar que incide sobre la placa colectora (1) provoca un aumento de la temperatura de la misma. El elemento refrigerador (3,4) se mantiene, en cambio, a menor temperatura al ceder el exceso de calor al aire o al fluido (9) refrigerador. Como resultado, entre las caras caliente y fría de los generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck se crea una diferencia de temperatura que genera el efecto termoeléctrico. La corriente eléctrica producida por el módulo o combinación de módulos se transfiere al circuito externo para su adecuación y utilización o almacenamiento.

Claims (16)

1. Placa solar termoeléctrica del tipo de las utilizadas para la generación de energía eléctrica a partir de la energía solar, caracterizada porque comprende en su parte anterior una placa colectora (1) de la energía solar, en su parte intermedia una pluralidad de generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck, y en su parte posterior un elemento refrigerador (3,4), estando todo ello relacionado entre sí por presión mediante los oportunos medios mecánicos de fijación (5).
2. Placa solar termoeléctrica, según la anterior reivindicación, caracterizada porque el espacio entre la placa colectora (1) y el difusor (3,4) que no queda ocupado por los generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck está relleno de material termoaislante (6).
3. Placa solar termoeléctrica, según las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque la placa colectora (1) de energía solar es una superficie plana.
4. Placa solar termoeléctrica, según las anteriores reivindicaciones 1 a la 2, caracterizada porque la placa colectora (1) de energía solar adopta una forma inclinada en un oportuno ángulo (8) calculado en función de la orientación de la placa y/o latitud.
5. Placa solar termoeléctrica, según las anteriores reivindicaciones 1 a la 2, caracterizada porque la placa colectora (1) de energía solar adopta una forma escalonada en un oportuno ángulo (8) calculado en función de la orientación de la placa y/o latitud.
6. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque entre la placa colectora (1) de energía solar y los generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck se intercala una lámina de material termoconductor intermedio.
7. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque los módulos semiconductores (2) están conectados eléctricamente entre ellos en serie, en paralelo o en la combinación serie/paralelo más oportuna al objeto de obtener una corriente eléctrica de características adecuadas, que se entrega mediante los oportunos cables de conexión a un circuito externo.
8. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque entre la cara fría de los generadores termoeléctricos (2) de tipo Seebeck y el elemento refrigerador (3,4) se intercala una lámina de material termoconductor intermedio.
9. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque el elemento refrigerador está constituido por un radiador (3) de calor directamente al aire, del tipo de aletas u otro diseño difusor de calor equivalente.
10. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones 1 a la 8, caracterizada porque el elemento refrigerador está constituido por unas conducciones (4) a través de las cuales circula un fluido (9) refrigerador.
11. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones 1 a la 8 y 10, caracterizada porque el caudal de fluido (9) refrigerador por las conducciones (4) es variable mediante un grifo o válvula reguladora.
12. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque la placa colectora (1) está dotada de una cubierta traslucida (10) a la radiación solar y termoaislante, fijada mediante los oportunos perfiles de sujeción (11).
13. Placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque los medios mecánicos de fijación (5) son cualesquiera de los elementos mecánicos convencionalmente utilizados que aseguren la ruptura del efecto puente térmico y que la transferencia de calor entre ambas superficies se realiza exclusivamente a través los módulos Seebeck.
14. Uso de una placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, como parte integrante, y utilizando sus mismos materiales, de la estructura de un edificio, tanto en cubiertas como en fachadas.
15. Uso de una placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones 1 a la 8, 10, 11, y 13, para la obtención de agua caliente para calefacción.
16. Uso de una placa solar termoeléctrica, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones 1 a la 8, 10, 11, y 13, para la obtención de agua caliente sanitaria de temperatura variable.
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