ES2609827A1 - Chimenea fotovoltaica evaporativa para el accionamiento y disipación de calor simultánea de un sistema de climatización - Google Patents

Chimenea fotovoltaica evaporativa para el accionamiento y disipación de calor simultánea de un sistema de climatización Download PDF

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Abstract

Chimenea fotovoltaica evaporativa para el accionamiento y disipación de calor simultanea de un sistema de climatización. Chimenea fotovoltaica evaporativa para refrigerar el panel fotovoltaico mediante una corriente de aire en su parte posterior y disipar el calor de un ciclo de refrigeración. La chimenea se divide en dos partes principales. La primera sección denominada zona evaporativa tiene una serie de boquillas que atomizan agua en flujo paralelo con el aire ambiente que desciende. A medida que el agua cae una pequeña parte se evapora enfriándose el resto. Esta sección trabaja como una torre de refrigeración a pequeña escala. El aire que ha estado en contacto con el agua asciende por efecto de la flotación en la denominada zona convectiva. Esta segunda zona es básicamente una chimenea solar en la que el calentamiento del aire provoca la flotación del mismo. A su vez el aire que asciende por la sección convectiva refrigera el panel fotovoltaico incrementando su rendimiento.

Description

DESCRIPCIÓN
Chimenea fotovoltaica evaporativa para el accionamiento y disipación de calor simultánea de un sistema de climatización.
5
Sector de la técnica
La presente invención se encuadra en el sector técnico de la energía solar fotovoltaica y su aplicación en sistemas de acondicionamiento de aire.
10
El objeto principal de la presente invención es un sistema para paneles solares fotovoltaicos, que permite aumentar el rendimiento de los paneles solares manteniendo su superficie en unos valores óptimos de temperatura, al mismo tiempo la presente invención se emplea como sistema de accionamiento eléctrico y disipación de calor de un ciclo de refrigeración. 15
Antecedentes de la invención
Actualmente la climatización de edificios significa un porcentaje muy importante de la energía final demandada por nuestra sociedad. Siendo previsible un incremento en los 20 próximos años atribuible al aumento de la temperatura ambiente, a las mayores exigencias de confort, la percepción de que la climatización contribuye a la productividad y al incremento de la carga interna de los edificios debido al uso de equipos electrónicos. Este incremento en el consumo de energía de los equipos de climatización estará asociado con mayores emisiones de CO2 a la atmósfera a menos que se planteen 25 soluciones alternativas a las actuales.
Una posibilidad es usar la misma energía que provoca la demanda de climatización como energía de generación, en este caso emplear la energía solar. La climatización solar es una idea atractiva por la coincidencia cronológica entre la radiación disponible y la 30 necesidad de refrigeración. Diferentes soluciones técnicas que combinan la energía solar y el aire acondicionado han sido estudiadas en el pasado y siguen siendo analizadas hoy día. Sin embargo, estas tecnologías o no han sido competitivas o están en una fase preliminar de desarrollo. Parecía que los sistemas solares de climatización tenían más posibilidades de integración en el caso de grandes edificios dado que únicamente se 35 empleaban sistemas solares térmicos, bien basados en procesos de absorción o adsorción. Sin embargo, la situación ha cambiado con el enorme desarrollo de los equipos de climatización domésticos y comerciales de media potencia, así como el tremendo descenso del coste de los paneles fotovoltaicos.
40
Uno de los principales problemas que está limitando el desarrollo de los sistemas de climatización solares es la conversión eficiente de la radiación solar. La eficiencia de un panel fotovoltaico depende fundamentalmente de la radiación disponible y de la temperatura de trabajo. El calentamiento de un panel reduce drásticamente su rendimiento. Un incremento de temperatura reduce la tensión de circuito abierto del panel 45 del orden de 0,45%/ºC, mientras que la corriente de cortocircuito puede aumentar sobre 0,09%/ºC. Así que ambos efectos combinados llevan a que la potencia máxima disponible en el panel se reduce del orden de -0,3 a -0,5%/ºC.
En la literatura científica y en las bases de datos de patentes se pueden encontrar 50 diferentes estrategias para reducir la temperatura de los paneles fotovoltaicos. Algunos trabajos hacen pasar una corriente de aire o agua por la cara posterior del panel a través de canales o conductos empleando bien convección natural o forzada mediante ventiladores o bombas, EP2111520 o ES-2303456. La temperatura del panel fotovoltaico
está claramente condicionada por la capacidad de ventilación del canal. Otros trabajos refrigeran el panel fotovoltaico atomizando agua por la parte superior, ES2351490. Otro método de reducción de la temperatura del panel es incorporando un disipador de calor en la parte posterior del mismo, EP1975992. Si bien han sido muchos los trabajos revisados, ninguno de ellos combina la disipación del calor de un equipo de aire 5 acondicionado con la mejora de la eficiencia de un panel fotovoltaico.
El segundo componente clave en una instalación de climatización solar es el propio equipo de refrigeración. De nuevo las temperaturas de trabajo son las variables clave para determinar su funcionamiento. Para una aplicación dada de climatización, donde la 10 temperatura de evaporación del ciclo de vapor está definida, la variable que queda por especificar es la temperatura de condensación. Ésta queda determinada esencialmente por el medio al que se disipa el calor. Las soluciones comerciales clásicas son sistemas condensados por aire o por agua. La principal diferencia entre la condensación por aire o por agua radica en que condensar con agua lleva a menores temperaturas en la 15 condensación, implicando una mayor eficiencia y menor consumo en el equipo. El efecto que tiene reducir la temperatura de condensación conduce a la reducción de la potencia consumida por el compresor de un equipo de climatización. La mejora de la eficiencia de los sistemas condensados por agua se relaciona con la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera. 20
La invención aquí descrita trata de mejorar la eficiencia de un panel fotovoltaico por medio del enfriamiento evaporativo, esto combinado con el empleo de un sistema de climatización condesado por agua lleva al diseño de un sistema de climatización solar eficiente. 25
Para conseguir este objetivo se propone la chimenea fotovoltaica evaporativa para el accionamiento y disipación de calor simultánea de un sistema de climatización. Una chimenea solar es un canal de aire termo-sifónico en el cual se provoca una corriente de aire ascendente por medio de la flotación térmica. La energía solar incrementa la 30 temperatura de la chimenea aumentando la temperatura del aire y disminuyendo su densidad de manera que se provoca una corriente en su interior. Las chimeneas solares se han aplicado en diferentes campos como la ventilación de edificios, procesos de secado o producción de energía eléctrica. También se han empleado en la refrigeración de paneles fotovoltaicos CN103718310, pero no de la forma que se propone en esta 35 invención, ya la chimenea fotovoltaica evaporativa objeto de esta invención además de buscar la mejora del panel fotovoltaico, busca la refrigeración de un flujo de agua que proviene de un ciclo de frigorífico.
Explicación de la invención 40
La chimenea fotovoltaica evaporativa se divide en dos partes principales descritas en la Figura 1. Siguiendo el recorrido del aire en su interior, la primera sección denominada zona evaporativa (30) tiene una serie de boquillas (1) que atomizan agua en flujo paralelo con el aire que accede al sistema por la sección de entrada (3) y que desciende por el 45 canal formado por la parte posterior de la carcasa (4) y el elemento separador (8). A medida que el agua cae una pequeña parte se evapora enfriándose el resto. Esta sección trabaja como una torre de refrigeración a pequeña escala. El agua refrigerada se recoge en un depósito (5) situado en la parte inferior de la sección evaporativa y se envía mediante un sistema de bombeo (13) al condensador de una máquina de refrigeración 50 (14) actuando como elemento de disipación de calor de la misma, ver Figura 2.
El aire que ha estado en contacto con el agua ha incrementado su humedad, y que puede incluso haber reducido su temperatura (dependiendo de las condiciones de operación)
empieza a ascender por efecto de la flotación en la denominada zona convectiva (40). Esta segunda zona es básicamente una chimenea solar en la que el calentamiento del aire provoca la flotación del mismo. A su vez el aire que asciende por la sección convectiva refrigera el panel fotovoltaico (6) incrementando su rendimiento saliendo al exterior por la abertura (9) existente en la parte superior. 5
Como se deduce de la descripción del funcionamiento de la presente invención el propósito del mismo es doble. Por un lado busca refrigerar el panel fotovoltaico (6) mediante una corriente de aire en su parte posterior, y por otro lado se emplea como sistema de disipación de calor de un ciclo de refrigeración. 10
Breve descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo 15 preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de la chimenea fotovoltaica evaporativa 20 objeto de la invención.
Figura 2.- Muestra una vista esquemática de los diferentes elementos que forman parte de la chimenea fotovoltaica evaporativa y su conexionado con un sistema de aire acondicionado condensado por agua. 25
Realización preferente de la invención
Se describe a continuación un ejemplo de realización preferente haciendo mención a las figuras arriba citadas, sin que ello limite o reduzca el ámbito de protección de la presente 30 invención.
En la figura 1 se pueden apreciar de forma esquemática los diferentes elementos que componen la chimenea fotovoltaica evaporativa objeto de la invención. el cual comprende: 35
- unos rociadores de fluido (1), que pueden ser difusores de aspersión de cono lleno, cono hueco, micro aspersión, por goteo, lámina o similares, ubicados en una tubería de alimentación (2) dispuesta en la parte interior de la sección de entrada del aire (3) a la sección evaporativa y que permiten el suministro del fluido atomizado en flujo 40 paralelo al aire que entra al sistema.
- tanto el fluido que se atomiza, como el aire exterior se confinan mediante una carcasa (4) en forma de cajón acoplado a la parte posterior del panel fotovoltaico.
45
- una bandeja de recogida (5) situada en el borde inferior del panel fotovoltaico (6), para recoger y canalizar el fluido sobrante y a menor temperatura que a la entrada procedente de dicha atomización.
- una tubería de evacuación (7), vinculada por uno de sus extremos a la bandeja de 50 recogida (5), para la extracción del fluido alojado en dicha bandeja,
- elemento separador (8) de la sección evaporativa (30), donde tanto el agua como el aire descienden, de la sección convectiva (40) donde únicamente es el aire el que asciende refrigerando el panel fotovoltaico (6) por su parte trasera.
- El aire finalmente sale al exterior por la sección de salida (9) ubicada en la parte 5 superior de la sección convectiva.
En la figura 2 se pueden apreciar de forma esquemática los diferentes elementos componentes que forman parte de la chimenea fotovoltaica evaporativa y de su conexionado con un sistema de refrigeración objeto de la invención. 10
- válvula de regulación del caudal de fluido (10) ubicada en la tubería de alimentación (2) instalada para controlar el caudal de fluido a enfriar en la chimenea fotovoltaica evaporativa (20),
15
- válvula de evacuación (11) conectada a la bandeja de recogida (5) situada en el borde inferior del panel fotovoltaico (6), para recoger y canalizar el fluido hacia el condensador (17) de la máquina de refrigeración (14),
- filtro (12) sistema de filtración que se encarga de eliminar suciedad o impurezas que 20 pueden incorporarse en el recorrido del fluido por el interior de la chimenea solar evaporativa (20) y que podrían ser perniciosos para el sistema de bombeo (13) y/o el condensador (17) de la maquina frigorífica (14)
- bomba recirculadora 1 (13), la recirculación del fluido entre la chimenea fotovoltaica 25 evaporativa (20) y la máquina frigorífica (14) se realiza mediante una bomba centrífuga con alimentación de la red eléctrica y/o mediante la energía fotovoltaica producida.
- Equipo de climatización convencional condensado por agua (14). El elemento 30 encargado de la climatización en el diseño objeto de la invención es un equipo convencional de climatización, con la salvedad que la cesión de calor al ambiente debe realizarse a una corriente de agua que es la que se pulveriza en la chimenea fotovoltaica evaporativa.
35
- Una parte o todo el consumo eléctrico del equipo de climatización (14) provendrá de la producción del panel fotovoltaico (6) mediante el empleo de un compresor de corriente continua o con la inclusión de un inversor de corriente continua a corriente alterna (15) y un compresor de corriente alterna.
40
- La máquina de aire acondicionado (14) generará una corriente de agua fría que se recirculará al edificio a climatizar mediante una bomba circuladora 2 (16) que enviará el fluido frigorífero al edificio a climatizar mediante elementos terminales (18).
Por tanto mediante la presente invención se proporciona un sistema que actúa como 45 disipación de calor de un equipo de climatización y que a su vez permite reducir la temperatura del panel fotovoltaico (6) que forma parte de la chimenea fotovoltaica evaporativa (20) mejorando de este modo su rendimiento.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Chimenea fotovoltaica evaporativa (20), caracterizada por que comprende:
    - unos rociadores de fluido (1), ubicados en una tubería de alimentación (2) dispuesta 5 en la parte interior de la sección de entrada del aire (3) a la sección evaporativa y que permiten el suministro del fluido atomizado en flujo paralelo al aire que entra al sistema,
    - una carcasa (4) en forma de cajón acoplado a la parte posterior del panel fotovoltaico 10 que confina tanto el aire, como el fluido atomizado,
    - una bandeja de recogida (5) situada en el borde inferior del panel fotovoltaico (6), que recoge y canaliza el fluido sobrante y a menor temperatura que a la entrada procedente de dicha atomización, 15
    - una tubería de evacuación (7), vinculada por uno de sus extremos a la bandeja de recogida (5), que extrae el fluido alojado en dicha bandeja,
    - un elemento separador (8) de la sección evaporativa (30), de la sección convectiva 20 (40),
    - una abertura de salida del aire al exterior (9) ubicada en la parte superior de la sección convectiva (40).
    25
  2. 2. Chimenea fotovoltaica evaporativa (20) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que comprende adicionalmente una válvula de regulación del caudal de fluido (10) ubicada en la tubería de alimentación (2) que controla el caudal de fluido a enfriar en la chimenea fotovoltaica evaporativa.
    30
  3. 3. Chimenea fotovoltaica evaporativa (20) de acuerdo con la reivindicación 1 y 2, caracterizado por que comprende adicionalmente una válvula de evacuación (11) conectada a la bandeja de recogida (5) situada en el borde inferior del panel fotovoltaico (6), que recoge y canaliza el fluido hacia el condensador de la máquina de refrigeración.
    35
  4. 4. Chimenea fotovoltaica evaporativa (20) de acuerdo con la reivindicación 1 a 3, caracterizado por que comprende adicionalmente un sistema de filtración (12) que elimina las impurezas que pueden incorporarse en el recorrido del fluido por el interior de la chimenea solar evaporativa (20) y que podrían ser perniciosos para el sistema de bombeo (13) y/o el condensador de la maquina frigorífica (14). 40
  5. 5. Chimenea fotovoltaica evaporativa (20) de acuerdo con la reivindicación 1 a 4, caracterizado por que comprende adicionalmente una bomba recirculadora 1 (13), que recircula el fluido entre la chimenea fotovoltaica evaporativa (20) y la máquina frigorífica (14); esta bomba puede alimentarse tanto de la red eléctrica como por la energía 45 producida por el panel fotovoltaico (6).
  6. 6. Chimenea fotovoltaica evaporativa (20) de acuerdo con la reivindicación 1 a 5, caracterizado por que comprende adicionalmente un inversor de corriente continua a corriente alterna (15) que suministra total o parcialmente el consumo eléctrico de un 50 equipo de climatización convencional condensado por agua (14) y o de las bombas recirculadoras (13) y/o (16).
  7. 7. Chimenea fotovoltaica evaporativa (20) de acuerdo con la reivindicación 1 a 6, caracterizado por que los rociadores de fluido (1) son difusores de aspersión de cono lleno, cono hueco, micro aspersión, por goteo, lamina, o similares.
  8. 8. Procedimiento de refrigeración para paneles solares fotovoltaicos que forman parte de 5 la chimenea evaporativa caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
    - salida de fluido por unos rociadores de fluido (1), ubicados en una tubería de alimentación (2) dispuesta en la parte interior de la sección de entrada del aire (3) a la sección evaporativa y que permiten el suministro del fluido atomizado en flujo 10 paralelo al aire que entra al sistema,
    - canalización del aire humectado en la parte inferior de la zona evaporativa (30) por la cara posterior del panel fotovoltaico (6) para su refrigeración atravesando la zona convectiva (40), 15
    - recolección y canalización del fluido enfriado en una bandeja de recogida (5) situada en el borde inferior del panel fotovoltaico (6), procedente de dicha atomización,
    - extracción del fluido recogido mediante una tubería de evacuación (7), vinculada por 20 uno de sus extremos a la bandeja de recogida (5),
    - eliminación de impurezas del fluido mediante sistema de filtración (12), recirculación del fluido mediante bomba (13) entre la chimenea fotovoltaica evaporativa (6) y la maquina frigorífica (14) cerrando el circuito accediendo el fluido a la tubería de 25 alimentación (2).
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