ES2377793B1 - Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico. - Google Patents

Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico. Download PDF

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Abstract

Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico que comprende al menos un módulo fotovoltaico (1) de obtención de energía eléctrica, y un sistema doble de extracción de calor de obtención de energía térmica que comprende:#- un intercambiador térmico de gas refrigerante (7), que comprende al menos un canal por el que fluye el gas situado a bajo el módulo fotovoltaico, y#- un intercambiador térmico de líquido refrigerante (6), que comprende una pluralidad de tuberías o canales situadas bajo el módulo fotovoltaico, e integrados en el intercambiador térmico de gas.

Description

COLECTOR SOLAR HÍBRIDO FOTOVOLTAICO-TÉRMICO
La invención se refiere a un colector solar fotovoltaico-térmico (PVT) refrigerado por líquido y gas que permite la producción de frío o calor así como energía eléctrica. Antecedentes de la invención
La manera más sencilla y conocida de fabricar un colector fotovoltaico-térmico (PVT) es “pegando” células fotovoltaicas (FV) al absorbedor de un colector térmico comercial. La desventaja de esta técnica es que las células fotovoltaicas no están suficientemente bien protegidas del ambiente, en particular de la humedad, lo que provoca problemas técnicos para la aplicación comercial del componente obtenido.
Una técnica más elaborada conocida consiste en laminar en el mismo componente la cubierta superior, las células fotovoltaicas, el aislante eléctrico y el absorbedor. Si se usa un absorbedor metálico se debe tener especial cuidado para que la resistencia eléctrica entre las células FV y el metal sea suficientemente grande para evitar una pérdida inaceptable de rendimiento eléctrico.
Hasta la fecha los módulos fotovoltaicos-térmicos conocidos utilizan agua o aire como fluido caloportador. Uno de los desarrollos técnicos más significativos se llevó a cabo en la Universidad de Patras, Grecia, en el año 2.006 (Tripanagnostopoulos, Y.), con la realización de un proyecto de investigación por el que se pretendían analizar las mejoras producidas en un módulo fotovoltaicos-térmico PVT como consecuencia de la introducción de una serie de modificaciones. El resultado fue la obtención de un sistema que permitía el suministro de agua o aire caliente dependiendo de la estación del año y de las necesidades de energía térmica del edificio. Tales modificaciones incluían la colocación de una delgada lámina metálica en el centro de la corriente de aire y el montaje de aletas en una de las caras interiores del panel solar. Mediante el colector así modificado se logró un incremento significativo de las energías térmica y eléctrica obtenidas.
En los sistemas fotovoltaicos-térmicos (PVT) la producción eléctrica es prioritaria, lo que hace necesario mantener baja la temperatura del módulo para conseguir que la eficiencia de las células sea elevada, convirtiéndose desde el punto de vista práctico en un captador fotovoltaico refrigerado. Este requerimiento limita el rango de operación efectivo del módulo fotovoltaico-térmico (PVT) para bajas temperaturas, lo que hace que el calor extraído solo pueda ser usado para aplicaciones de baja temperatura como la calefacción de espacios, el precalentamiento de agua o aire y la ventilación natural.
Los sistemas fotovoltaicos-térmicos (PVT) pueden ser usados actualmente en los sectores industrial y doméstico, principalmente como precalentamiento de agua o aire.
Los módulos fotovoltaicos refrigerados por agua están formados por un intercambiador en contacto térmico con la cara posterior del módulo, siendo aptos para el calentamiento de agua, la calefacción de espacios y otras aplicaciones.
Por su parte, los módulos fotovoltaicos refrigerados por aire pueden ser integrados en tejados y fachadas, y además de la demanda eléctrica pueden cubrir parte de las necesidades de calefacción y ventilación de los edificios, aunque generalmente primando la producción eléctrica, y produciendo fluido a relativamente baja temperatura.
En lo que se refiere a sistemas PVT-agua, existen varias maneras de efectuar la circulación del agua y la extracción del calor, pero la más práctica es considerar que el agua circula por el interior de tuberías que están en contacto con una placa plana, localizada en la cara posterior del módulo PV y en contacto térmico con él.
Los sistemas PVT-agua tienen más limitaciones en su diseño y en su operación que los de aire, debido a que es necesario incluir un intercambiador de calor, el cual debería tener un buen contacto térmico con la superficie del módulo, mientras que empleando aire, éste es directamente calentado por la superficie del módulo. Sin embargo, empleando aire la extracción del calor es menos eficiente debido a la menor capacidad de transferencia térmica por convección. En Sistemas PVT el elemento absorbedor es menos eficiente que los típicamente empleados en colectores térmicos.
En lo que respecta a módulos PVT-aire, lo habitual es montar un canal de aire en la parte posterior del módulo. El aire, que está a una temperatura inferior que el módulo, se hace circular en el canal, logrando simultáneamente la refrigeración del módulo y la generación de energía térmica. El coste de la unidad térmica es similar si se emplean células monocristalinas, policristalinas o amorfas.
En sistemas PVT-aire el modo de extracción de calor es el directo mediante convección natural o forzada, dependiendo la eficiencia térmica de la profundidad del canal, del modo del flujo de aire y del caudal de aire. Canales con profundidades pequeñas y caudales elevados incrementan la extracción de calor, pero también incrementan la pérdida de presión del fluido, lo que reduce la producción eléctrica neta en caso de flujo de aire forzado, debido al incremento de la potencia del ventilador. En aplicaciones con circulación natural, la pequeña profundidad del canal reduce el flujo de aire lo que incrementa la temperatura del módulo fotovoltaico. En estos sistemas, son necesarios canales de aire de profundidad mayor (mínimo 10 cm).
El diseño de los sistemas PVT-aire es similar al de los colectores solares, pero el uso de módulos fotovoltaicas en vez de la placa absorbedora negra hace que los sistemas PVT-aire tengan menor eficiencia.
Los colectores PVT-agua pueden funcionar de forma efectiva en todas las estaciones, principalmente en emplazamientos de latitudes bajas en los que las condiciones meteorológicas favorables no dificultan el funcionamiento de los colectores térmicos y en latitudes medias en las que no existe riesgo de congelación.
En el otro lado, los colectores PVT-aire pueden funcionar en emplazamientos de latitudes medias y altas en los que puede existir riesgo de congelación, pero para latitudes bajas en las que en verano la temperatura ambiente es elevada, la refrigeración del módulo FV mediante circulación de aire es menos efectiva. Descripción de la invención
El objetivo que se persigue con el colector solar híbrido fotovoltaico térmico de la invención es la eliminación de los problemas antes descritos en los sistemas fotovoltaicos-térmicos (PVT) que utilizan agua o aire como medio caloportador, pudiendo utilizar ambos fluidos para la extracción de calor de manera independiente o combinada, de manera que se consiguen obviar las limitaciones de ambos sistemas por separado para la obtención de una eficiencia térmica y eléctrica de niveles satisfactorios reduciendo la temperatura de la placa fotovoltaica (FV), mediante un sistema de extracción de calor doble que, con el diseño adecuado, reduce las perdidas térmicas de forma apreciable, incluso comparado con los colectores solares térmicos actuales con buen aislante térmico.
La invención se refiere a un colector solar híbrido fotovoltaico-térmico (PVT) con gas y líquido refrigerantes integrados que utiliza ambos tipos de extracción de calor, por gas y por líquido, considerando el agua como líquido o fluido caloportador que puede ser usado para precalentamiento de agua en edificios residenciales, hoteles, hospitales, etc., aunque también se puede utilizar cualquier otra mezcla líquida adecuada, mientras que el aire se puede utilizar como gas calorífero para la calefacción y ventilación natural, dependiendo de las necesidades térmicas del edificio. Ambos sistemas de extracción pueden operar con temperaturas similares según las pautas de transferencia térmica en el colector, o bien, operar por separado con la simple cancelación de alguno de los dos caudales de agua, o de gas.
La característica fundamental del colector solar híbrido fotovoltaico-térmico (PVT) de la invención, es que emplea dos fluidos refrigerantes distintos, esto es, líquido y gas, lo que dota al modelo de una versatilidad evidente, ya que permite disponer de dos medios caloríferos distintos que son capaces de cubrir, por sí solos, la demanda energética global de espacios térmicos tan distintos como oficinas, industrias, hogares, etc, mediante la adecuada configuración del régimen de funcionamiento de ambos caudales fluidos Este colector solar híbrido fotovoltaicotérmico comprende al menos:
-
un módulo fotovoltaico (1) de obtención de energía eléctrica,
-
un sistema de doble extracción de calor de obtención de energía térmica,
que comprende:
-
un intercambiador térmico de gas refrigerante (7), que comprende al
menos un canal por el que fluye el gas situado a bajo el módulo
fotovoltaico, y
-
un intercambiador térmico de líquido refrigerante (6), que comprende
una pluralidad de tuberías o canales situadas bajo el módulo
fotovoltaico, e integrados en el intercambiador térmico de gas.
todo ello configurado de tal manera que se obtiene una trigeneración de energía que comprende energía eléctrica y energía térmica con producción de calor, o frío a través de algún proceso externo convenientemente acoplado que aproveche la electricidad (compresión mecánica) o el calor generado (absorción, adsorción), adaptable en función de la demanda energética global de espacios térmicos y energéticos diferentes.
Con el colector solar híbrido de la invención, se obtiene una alta eficiencia térmica y eléctrica conjunta, reduciendo la temperatura de la placa fotovoltaica (FV), mejorando la extracción del aire caliente por circulación de aire y anulando la transferencia térmica a través del aislante térmico de la placa.
Adicionalmente, para incrementar la superficie de intercambio y para crear corrientes aire ascendentes para el calentamiento de espacios en invierno, la pared enfrentada al módulo fotovoltaico puede comprender una pluralidad de aletas en el canal de aire o el montaje de vórtices mejorando la transferencia de calor, pudiéndose montar dichas aletas en la cara posterior del panel FV o en las tuberías del intercambiador de agua.
Una placa metálica en el interior del intercambiador de aire y a lo largo del flujo del aire. La cara de la placa metálica enfrentada a la superficie posterior del módulo fotovoltaico, situada en el interior del intercambiador de aire, se pinta de negro para obtener una elevada absortancia y reducir lo más posible la emitancia en el espectro infrarrojo.
Por otro lado, el módulo fotovoltaico se encuentra sobre una superficie de absorción de calor, y comprende una pluralidad de células fotovoltaicas que pueden estar encapsuladas, a la superficie absorbedora, en una lámina completa, lo que soluciona los problemas de falta de protección de las células fotovoltaicas del ambiente.
El intercambiador térmico de agua comprende una serie de tuberías que se puede ubicar en tres posiciones diferentes;
a) En contacto térmico con la superficie posterior de la placa fotovoltaica y a continuación se ubica un intercambiador de aire, lo que favorece la extracción mediante el intercambiador de agua, ya que éste está en contacto térmico directo con la superficie posterior del panel.
b) En el centro del canal de aire, favorece la extracción mediante el intercambiador aire ya que el intercambiador de agua juega el papel de la placa metálica
c) En la parte posterior del canal (es decir, en el fondo del colector), lo que asegura un buen contacto térmico. Además de ello, la extracción mediante aire mejora comparada con los colectores PVT típicos, debido a que las tuberías del intercambiador de agua incrementan la superficie de intercambio.
Siendo la opción a), en la que las tuberías están en contacto con la parte posterior de la placa fotovoltaicas, la de mayor eficacia térmica y eléctrica.
En este sentido, el colector híbrido de la invención ofrece varias estrategias de utilización posibles que se ajustarán en función de las características de consumo energético del lugar en el que se instale finalmente el colector, ajustándose la forma final del mismo a la estrategia de trigeneración de energía del colector en función de esas aplicaciones y las temperaturas y energías requeridas en cada forma. Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 es un esquema del colector hibrido de la invención
Las referencias numéricas representadas en la figura corresponden a los siguientes elementos:
1.-Módulo fotovoltaico 2.-Superficie absorbente 3.-Tubería refrigerante 4.-Cubierta protectora 5.-Carcasa 6.-Líquido refrigerante 7.-Refrigerante gaseoso 8.-Aletas 9.-Canal Intercambiador de gas Descripción de una realización preferida de la invención
La característica fundamental del colector solar que se pretende desarrollar es que emplea dos fluidos refrigerantes distintos, esto es, un líquido refrigerante, como el agua, y gas refrigerante, como el aire. Esto dota al modelo de una versatilidad evidente, ya que permite disponer de dos medios caloríferos distintos que son capaces de cubrir, por sí solos, la demanda energética global de espacios tan distintos desde el punto de vista del comportamiento térmico como oficinas, industrias, hogares, etc.
La figura 1 muestra, de forma esquemática, el colector solar de la invención que comprende un captador que produce electricidad mediante un módulo fotovoltaico (1), adherido a una superficie absorbente (2) con unas propiedades adecuadas para absorber el espectro de radiación solar que atraviese el componente fotovoltaico.
El módulo fotovoltaico (1) está basado en tecnología de capa fina, o en cualquier otra que permita optimizar el rendimiento global, térmico y eléctrico, del captador, buscando rendimiento aceptable, con transmisividad alta de radiación y a un coste reducido.
La superficie absorbente (2), que actúa como sustrato del dispositivo fotovoltaico, debe tener unas características ópticas adecuadas que permitan la absorción neta de la mayor parte de energía radiante posible, siendo compatible con el material de la parte fotovoltaica.
Dicha superficie (2) esta formada por una base de material buen conductor del calor, metálico, tal como aluminio, cobre o algún tipo de acero inoxidable, sobre la que se crea la parte absorbente mediante una pintura o una fina capa de recubrimientos especiales (cromo negro u otro material), con una relación absortividad/emisividad mayor que 3, que le proporcionan las características de absorción/emisión de radiación adecuada.
. La superficie absorbente (2) recibe energía en forma de calor y de la radiación térmica que atraviesa el módulo fotovoltaico (1) y por las características radiantes que presenta, siendo refrigerada por un conjunto de tubos (3) adosados por la parte inferior a la superficie absorbente (2), y que constituyen el intercambiador térmico de líquido refrigerante, transmitiendo parte del calor recibido al líquido refrigerante (6) que puede
5 ser agua, o mezclas de agua con anticongelante.
Los tubos refrigerantes (3) se encuentran aleteados, ya sea con aletas (8) longitudinales o anulares, para posibilitar la transferencia de calor de una forma eficiente a un refrigerante gaseoso (7), generalmente aire, que se encuentra en el canal intercambiador de gas (9) y que fluye, bien por convección natural, bien
10 mediante impulsión forzada por un circuito exterior a los tubos refrigerantes (3) y limitado por una carcasa (5) que da estabilidad mecánica a todo el sistema. Una cubierta protectora (4), fabricada con un vidrio u otro material transparente, protege el conjunto de superficies absorbentes y mejora las características de absortancia-transmitancia del conjunto.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico caracterizado por comprender al menos: -un módulo fotovoltaico (1) de obtención de energía eléctrica, -un sistema de doble extracción de calor de obtención de energía térmica, que comprende:
    -
    un intercambiador térmico de gas refrigerante (7), que comprende al menos un canal por el que fluye el gas situado a bajo el módulo fotovoltaico, y -un intercambiador térmico de líquido refrigerante (6), que comprende una pluralidad de tuberías o canales situadas bajo el módulo fotovoltaico, e integrados en el intercambiador térmico de gas.
    2-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicación 1 caracterizado porque la pluralidad de tuberías o canales del intercambiador de líquido refrigerante están situadas en contacto térmico con la superficie posterior del módulo fotovoltaico, en el centro del canal del intercambiador térmico de gas o en la parte posterior del canal. 3.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicaciones anteriores caracterizado porque en el interior del intercambiador térmico de gas se incorpora una placa metálica 4.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicación 3 caracterizado porque la cara de la placa metálica enfrentada a la superficie posterior del módulo fotovoltaico tiene un recubrimiento con un material con una relación absortividad/emisividad efectiva mayor de 3. 5.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicaciones anteriores caracterizado porque se incorporan una pluralidad de aletas en el intercambiador térmico de líquido. 6.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicaciones 1-4 caracterizado porque se incorporan una pluralidad de aletas en el intercambiador térmico de gas 7.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende una cubierta protectora (4) sobre el módulo fotovoltaico (1). 8.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicación 7 caracterizado porque la cubierta protectora (4) es de vidrio o material transparente.
  2. 9.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende una carcasa (5). 10.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el gas refrigerante es aire. 11.-Colector solar híbrido fotovoltaico-térmico según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el líquido refrigerante es agua.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 200930051
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 07.04.2009
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : H01L31/058 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    US 6372978 B1 (CIFALDI CARMINE) 16.04.2002, 1-11
    columna 2, líneas 20-37; columna 3, línea 66 – columna 4, línea 10; columna 4,
    líneas 16-44,62-67; columna 5, líneas 28-30,39-43; figura 1.
    A
    DE 19914079 A1 (ABAC ELEKTRONISCHE KOMMUNIKATI et al.) 28.09.2000, 1,2,5,6,10,11
    columna 1, líneas 18-42; columna 1, línea 68 – columna 2, línea 16; figura 1.
    A
    US 2002189662 A1 (LOMPARSKI HOLGER) 19.12.2002, 1,7-11
    párrafos [0009]-[0011],[0027]-[0030]; figura 2.
    A
    US 4186033 A (BOLING NORMAN L et al.) 29.01.1980, 1,3,4,7-9
    columna 3, líneas 9-11,22-30; columna 4, línea 64 – columna 5, línea 4; columna 6, líneas 1-22;
    figuras 3-6.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 20.03.2012
    Examinador A. Rodríguez Cogolludo Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 200930051
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H01L Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 200930051
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 20.03.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones 1-11 Reivindicaciones SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-11 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 200930051
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 6372978 B1 (CIFALDI CARMINE) 16.04.2002
  3. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    La solicitud de patente se refiere a un colector solar híbrido para la producción simultánea de energía eléctrica y calor.
    De acuerdo con la reivindicación 1, el colector solar comprende, además de un módulo fotovoltaico, un intercambiador de calor de gas constituido por un canal por el que circula dicho gas y un intercambiador de líquido con tuberías o canales, el cual se halla integrado en el canal de gas. Ambos intercambiadores se encuentran situados bajo el módulo fotovoltaico.
    El documento D01, al que pertenecen las referencias que se cita a continuación, divulga un colector solar híbrido (10) que posee un conjunto de células fotovoltaicas (46) situadas sobre una cámara de calentamiento (18) por la que se hace circular aire. Dicho aire se introduce en la cámara por un conducto (28) y se extrae de ella por otro conducto (30). En su circulación por el interior de la cámara de calentamiento (18), el aire absorbe el calor almacenado en ella debido a la radiación solar, y al mismo tiempo transfiere calor a un segundo fluido, en este caso líquido, que se hace circular por el interior de un conducto (20).
    En el colector solar de D01 existe una única tubería (20) en forma de serpentín para hacer circular el medio refrigerante líquido, en lugar de una pluralidad de tuberías como se indica en la reivindicación primera de la solicitud. No obstante, dicha diferencia responde únicamente a un modo de realización particular y no se puede considerar que implique actividad inventiva.
    Por tanto, la reivindicación 1 de la solicitud no cumple el requisito de actividad inventiva según el art. 8.1 de la Ley 11/1986 de Patentes.
    El colector del documento D01 presenta asimismo las características recogidas en las reivindicaciones 2, 7, 8, 9, 10 y 11 de la solicitud.
    Por lo que respecta a las reivindicaciones 3 a 6 de la solicitud, la utilización de una placa metálica absorbente, así como de aletas para favorecer el intercambio de calor, se consideran opciones ampliamente conocidas para un experto en la materia.
    En conclusión, las reivindicaciones dependientes 2 a 11 de la solicitud tampoco presentan actividad inventiva de acuerdo con la Ley 11/1986 de Patentes (art. 8.1).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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