ES2746036A1 - PHOTOVOLTAIC THERMAL ALTERNATIVE HYBRID SOLAR CAPTION SYSTEM (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

PHOTOVOLTAIC THERMAL ALTERNATIVE HYBRID SOLAR CAPTION SYSTEM (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Download PDF

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Abstract

As a summary of the patent application of a new invention, mention that the patent system basically consists of a way of using a limited area to generate useful energy from solar radiation. To this end, equipment that performs this function will be designed by alternating two technologies such as They are photovoltaic and solar thermal. The novelty of the invention lies in the use of the technical capabilities of each of the systems as appropriate at each time of the year given that the periods where more performance is taken from each technology, either by consumption needs or by technical characteristics of each team, they are complementary and allow to be alternated. The implementation of the equipment designed based on the patent system will allow an optimization of the solar resource available in buildings with limited surfaces and therefore greater savings and terms of energy consumption. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

D E S C R I P C I Ó ND E S C R I P C I Ó N

SISTEMA DE CAPTACION SOLAR HIBRIDO ALTERNATIVO TERMICO SOLAR COLLECTION SYSTEM HYBRID ALTERNATIVE THERMAL

FOTOVOLTAICO.PHOTOVOLTAIC.

SECTOR DE LA TÉCNICATECHNICAL SECTOR

La presente invención se encuentra englobada dentro del campo de la generación de energía a partir de fuentes renovables y más concretamente dentro del campo de la energía solar.The present invention is encompassed within the field of energy generation from renewable sources and more specifically within the field of solar energy.

El objeto de la presente invención es un sistema de captación solar por el cual se genera energía eléctrica a partir de la tecnología fotovoltaica y/o energía térmica compartiendo una misma superficie de captación y asignando el recurso solar disponible en mayor o menor medida a una tecnología u a otra según las necesidades de consumo para cada instante.The object of the present invention is a solar collection system by which electrical energy is generated from photovoltaic technology and / or thermal energy by sharing the same collection surface and assigning the available solar resource to a greater or lesser extent to a technology or another according to the consumption needs for each moment.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

En la actualidad existen diferentes formas de aprovechamiento de la energía solar para su transformación y uso. Básicamente se pueden clasificar en dos grandes grupos según el tipo de transformación, la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica. En el primero de los grupos se aprovecha la radiación solar para transformarla en energía térmica generando calor y en el segundo de ellos se aprovecha la radiación solar para transformarla en energía eléctrica.Currently there are different ways of harnessing solar energy for its transformation and use. Basically they can be classified into two large groups according to the type of transformation, thermal solar energy and photovoltaic solar energy. In the first group, solar radiation is used to transform it into thermal energy generating heat, and in the second group, solar radiation is used to transform it into electrical energy.

Estas dos formas de aprovechamiento del recurso solar se instalan mayoritariamente en dispositivos específicos para cada tecnología independientes entre sí y destinados a un solo uso, la generación de energía eléctrica o la generación de energía térmica. Así mismo se pueden usar de forma independiente instalando equipos individuales en emplazamientos distintos para generar energía eléctrica y térmica de forma simultánea destinando una cantidad definida de superficie de captación a cada dispositivo según las dimensiones y orientación de estos. Finalmente existen dispositivos híbridos los cuales aprovechando el calentamiento de los paneles fotovoltaicos utilizan este rechazo de energía para generar energía térmica. La principal diferencia del sistema objeto de patente con los sistemas híbridos actuales es la posibilidad que presenta el primero de regular la cantidad de recurso solar que se destina a cada tipo de transformación, solar-térmica o solar-eléctrica, mientras que la transformación en el segundo es siempre solar-eléctrica con un reaprovechamiento del calor desprendido por el propio equipo.These two forms of use of the solar resource are mostly installed in specific devices for each technology independent of each other and intended for single use, the generation of electrical energy or the generation of thermal energy. Likewise, they can be used independently by installing individual equipment in different locations to generate electrical and thermal energy simultaneously, allocating a defined amount of collection surface to each device according to their dimensions and orientation. Finally, there are hybrid devices which, taking advantage of the heating of the photovoltaic panels, use this energy rejection to generate thermal energy. The main difference between the system subject to patent and current hybrid systems is the possibility presented by the first to regulate the amount of solar resource that is allocated to each type of transformation, solar-thermal or solar-electric, while the transformation in the second is always solar-electric with a reuse of the heat given off by the team itself.

.EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN . EXPLANATION OF THE INVENTION

La demanda de energía tanto eléctrica como térmica es estacionaria y depende de los hábitos de consumo de las personas. Por regla general el consumo de energía varía en función de la época del año siendo las épocas de mayor demanda durante el invierno y/o el verano. Esto último depende principalmente del clima de la zona donde se evalúe el consumo y se debe principalmente a la variación de las necesidades de consumo de energía destinada a la climatización de los edificios destinados al alojamiento de personas.The demand for both electrical and thermal energy is stationary and depends on people's consumption habits. As a general rule, energy consumption varies depending on the time of year, with the times of greatest demand during winter and / or summer. The latter depends mainly on the climate of the area where the consumption is evaluated and is mainly due to the variation in the energy consumption needs for the air conditioning of buildings intended for the accommodation of people.

Los principales sistemas de generación de energía a partir de la radiación solar presentan una serie de inconvenientes y ventajas que hacen que estos sean más eficientes en términos de ahorro energético en determinadas épocas del año y en función del tamaño de las instalaciones. A modo de ejemplo los sistemas de generación de energía térmica presentan un mayor rendimiento a la hora de transformar la radiación solar en energía útil que los sistemas fotovoltaicos sin embargo también presentan una desventaja dado que el uso que se le pueda dar a la energía térmica generada por estos sistemas es más limitado si lo comparamos con la energía eléctrica, esto último hace que los sistemas solares de generación de energía térmica tengan un menor aprovechamiento durante los meses de verano ya que la demanda de energía térmica es menor y el potencial de generación no se aprovecha al cien por cien generando un gran rechazo el cual a su vez puede provocar sobrecalentamientos y reducir la vida útil de estos equipos.The main systems for generating energy from solar radiation have a series of drawbacks and advantages that make them more efficient in terms of energy savings at certain times of the year and depending on the size of the facilities. As an example, thermal energy generation systems have a higher performance in transforming solar radiation into useful energy than photovoltaic systems, however, they also have a disadvantage since the use that can be made of the thermal energy generated for these systems it is more limited if we compare it with electrical energy, the latter means that solar thermal energy generation systems have less use during the summer months since the demand for thermal energy is lower and the generation potential is not It is used one hundred percent generating a great rejection which in turn can cause overheating and reduce the useful life of these equipment.

Por otro lado la energía eléctrica generada por los sistemas de tecnología fotovoltaica si encuentra mayor salida independientemente de que se produzca más energía que la requerida de forma puntual ya que esta se puede verter a la red de distribución y consumir en otra ubicación. Como desventaja principal de la tecnología fotovoltaica es su menor rendimiento en cuanto a la transformación de la radiación solar a energía eléctrica.On the other hand, the electrical energy generated by photovoltaic technology systems does find a greater output regardless of the fact that more energy is produced than the required in a timely manner as it can be poured into the distribution network and consumed in another location. The main disadvantage of photovoltaic technology is its lower performance in terms of transforming solar radiation into electrical energy.

Visto lo anterior, el valor añadido que aporta el sistema objeto de patente es la posibilidad de generar energía térmica durante los periodos de frio cuando hay una menor radiación solar con un sistema de generación solar térmico y aprovechar al máximo la radiación solar durante el verano transformándola en energía eléctrica a través del sistema fotovoltaico. Esto se logra instalando los dos tipos de tecnología de forma paralela en una misma ubicación para que orientando los distintos paneles de una forma específica o mediante el accionamiento de un mecanismo se pueda usar un sistema u otro de forma alterna según convenga. Este tipo de instalación requerirá por norma general una mayor inversión inicial para una misma superficie de captación instalada pero por contrapartida hará un uso más eficiente de esta superficie de captación.In view of the above, the added value provided by the patent system is the possibility of generating thermal energy during cold periods when there is less solar radiation with a thermal solar generation system and making the most of solar radiation during the summer, transforming it in electrical energy through the photovoltaic system. This is achieved by installing the two types of technology in parallel in the same location so that by orienting the different panels in a specific way or by operating a mechanism, one system or another can be used alternately as appropriate. This type of installation will generally require a higher initial investment for the same installed catchment area, but in return, it will make more efficient use of this catchment area.

El sistema de captación solar hibrido y alternativo térmico fotovoltaico pretende optimizar el uso de los sistemas de generación de energía eléctrica y térmica aprovechando las mejores ventajas de cada uno de los sistemas compartiendo una misma superficie de captación. De esta forma se puede aprovechar al máximo la superficie disponible para sistemas solares sacándole el máximo rendimiento a cada metro cuadrado instalado.The hybrid solar and alternative photovoltaic thermal collection system aims to optimize the use of electrical and thermal energy generation systems, taking advantage of the best advantages of each of the systems, sharing the same collection area. In this way you can make the most of the available surface for solar systems, taking maximum advantage of each installed square meter.

Con la explicación anteriormente realizada se puede resumir que el sistema objeto de patente consiste en la combinación de un sistema de captación solar térmico con un sistema fotovoltaico los cuales pueden alternar su exposición a la radiación solar según se requiera para generar electricidad o calor.With the explanation previously made, it can be summarized that the system object of the patent consists of the combination of a solar thermal collection system with a photovoltaic system, which can alternate their exposure to solar radiation as required to generate electricity or heat.

El sistema se compondrá principalmente por los siguientes subsistemas: un sistema de captación solar térmico, un sistema fotovoltaico, una estructura portante provista de mecanismo que permita alternar la exposición a la radiación solar de los sistemas de captación, sistema de acumulación de energía térmica, sistema de acumulación de energía eléctrica, sistema de control y toda la instrumentación necesaria para hacer que el conjunto funcione alternando los sistema de generación de forma automática. The system will be made up mainly of the following subsystems: a thermal solar collection system, a photovoltaic system, a supporting structure provided with a mechanism that allows alternating exposure to solar radiation of the collection systems, thermal energy accumulation system, system accumulation of electrical energy, control system and all the necessary instrumentation to make the set work by alternating the generation system automatically.

El modo principal de funcionamiento se realizará según la programación que se le quiera hacer al sistema de control no obstante un descripción general de como funcionaria se describe a continuación priorizando la generación de energía térmica. En el siguiente modo de operación se prioriza como se indica anteriormente la generación de energía térmica, esto implicaría que el sistema principal de generación sería el de generación de energía térmica el cual permanecerá en funcionamiento mientras la demanda no haya sido cubierta o el sistema de acumulación de energía térmica no haya alcanzado su máxima carga. Una vez cubierta la demanda y alcanzada la máxima carga de almacenamiento de energía térmica se activaría el mecanismo que alterna la exposición a la radiación solar para exponer el sistema fotovoltaico y poner en sombra el sistema de generación de energía térmica. De esta forma el sistema permanecería generando electricidad hasta que nuevamente se active la demanda de energía térmica.The main mode of operation will be carried out according to the programming that you want to make to the control system, despite a general description of how it will work, described below prioritizing the generation of thermal energy. In the following mode of operation the generation of thermal energy is prioritized as indicated above, this would imply that the main generation system would be that of thermal energy generation which will remain in operation as long as the demand has not been covered or the accumulation system of thermal energy has not reached its maximum load. Once the demand is met and the maximum thermal energy storage load is reached, the mechanism that alternates exposure to solar radiation would be activated to expose the photovoltaic system and shade the thermal energy generation system. In this way the system would continue to generate electricity until the thermal energy demand is activated again.

Las ventajas principales que presenta este sistema frente a las instalaciones convencionales o las actuales hibridas es que utiliza el sistema que mejor rendimiento aporta según las necesidades de consumo y la capacidad de carga que presenten. De esta manera durante los meses de frio prevalecerá en funcionamiento el sistema de generación de energía térmica y en los meses de verano habrá un mayor porcentaje de horas de producción del sistema fotovoltaico.The main advantages of this system compared to conventional installations or current hybrids is that it uses the system that provides the best performance according to the consumption needs and the load capacity they present. In this way, during the cold months the thermal energy generation system will prevail and in the summer months there will be a higher percentage of hours of production of the photovoltaic system.

Como mecanismos de accionamiento para alternar la producción de los dos sistemas se pueden plantear varios dependiendo de las características de la zona a instalar o del diseño que se quiera utilizar. El modo en el que se alternan los sistemas puede ser mediante giro en cualquiera de los ejes principales referidos a un sistema de referencia local o global, mediante deslizamiento de un sistema sobre otro o pivotando respeto de algún punto.As actuation mechanisms to alternate the production of the two systems, several can be considered depending on the characteristics of the area to be installed or the design you want to use. The way in which the systems alternate can be by turning in any of the main axes referred to a local or global reference system, by sliding one system over another or by pivoting with respect to some point.

Una segunda variante del sistema es el sistema fijo el cual aprovecha la variación del ángulo de incidencia de la radiación solar para cada época del año. En esta configuración no se requiere de mecanismo para orientar los placas fotovoltaicas por lo que esto supone un ahorro en la fabricación del sistema de captación debido a la reducción de componentes. Por contrapartida al no disponer de mecanismo para orientar las placas fotovoltaicas, el reparto del recurso solar entre los dos sistemas será solo en función de la posición solar y de la orientación inicial que se le haya dado a cada sistema de captación.A second variant of the system is the fixed system which takes advantage of the variation of the angle of incidence of solar radiation for each time of year. In this configuration, a mechanism is not required to orient the photovoltaic panels, so this means savings in the manufacturing of the collection system due to the reduction of components. On the other hand, since there is no mechanism to orient the photovoltaic panels, the distribution of the solar resource between the two systems will only be based on the solar position and the initial orientation that has been given. to each collection system.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, a set of drawings is included as an integral part of said description, where, by way of illustration and not limitation, the next:

Figura 1.- Muestra una posible realización del esquema principal de funcionamiento con mecanismo de giro en modo de funcionamiento para generación de energía térmica.Figure 1.- Shows a possible embodiment of the main operating scheme with a turning mechanism in operating mode for generating thermal energy.

Figura 2.- Muestra una posible realización del esquema principal de funcionamiento con mecanismo de giro en modo de funcionamiento para generación de energía eléctrica.Figure 2.- Shows a possible embodiment of the main operating scheme with a turning mechanism in operating mode for generating electrical energy.

Figura 3.- Muestra una posible realización del esquema de funcionamientos del sistema fijo son mecanismo de giro.Figure 3.- Shows a possible embodiment of the operating scheme of the fixed system with a turning mechanism.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

La realización inicialmente preferente es la que se representa en las Fig.1 y Fig 2 para la versión con mecanismo de giro y en la Fig 3 para la versión de sistema fijo. En estas se reflejan los principales componentes del sistema de captación el cual se describe a continuación.The initially preferred embodiment is the one shown in Fig. 1 and Fig. 2 for the version with a turning mechanism and in Fig. 3 for the fixed system version. These reflect the main components of the collection system which is described below.

El sistema de captación hibrido alternativo en su realización inicialmente definida como preferente para la versión con mecanismo de orientación de los paneles fotovoltaicos consiste en un sistema de captación solar térmico (4) sobre el cual se superpone una serie de paneles fotovoltaicos (2) los cuales van provistos de un eje de giro (3) el cual permite el movimiento relativo de las placas fotovoltaicas respecto del captador solar térmico de forma que en función de la posición del sol permite una mayor o menor irradiación sobre cada uno de los sistemas.The alternative hybrid capture system in its implementation initially defined as preferred for the version with orientation mechanism of the photovoltaic panels consists of a thermal solar collection system (4) on which a series of photovoltaic panels (2) is superimposed which They are provided with a rotation axis (3) which allows the relative movement of the photovoltaic plates with respect to the solar thermal collector so that depending on the position of the sun it allows more or less irradiation on each of the systems.

El sistema de captación para la generación de energía térmica, será principalmente formado por un conjunto de tubos de vacío posicionados en paralelo los cuales conectan una tubería colectora de entrada con una colectora de salida y bajo los cuales se coloca una serie de espejos curvos (5) que reflejan la radiación que no incide directamente sobre el tubo de vacío aprovechándose así como radiación reflejada.The collection system for the generation of thermal energy will be mainly formed by a set of vacuum tubes positioned in parallel which they connect an inlet collector pipe with an outlet collector and under which a series of curved mirrors (5) is placed that reflect the radiation that does not directly affect the vacuum tube, taking advantage of reflected radiation.

En el modo de operación para generación de energía térmica, la radiación solar (1) incide sobre la superficie de captación penetrando entre los huecos comprendidos entre los paneles fotovoltaicos (2) los cuales se orientan en función de la posición solar para dejar pasar la radiación solar y que finalmente esta incida en el sistema de generación de energía térmica (4).In the operating mode for thermal energy generation, solar radiation (1) affects the collection surface, penetrating between the gaps between the photovoltaic panels (2) which are oriented according to the solar position to let the radiation pass solar and that finally has an impact on the thermal energy generation system (4).

En el modo de operación para la generación de energía eléctrica, la radiación solar (1) incide sobre los paneles fotovoltaicos (2) los cuales se orientan perpendicularmente a la radiación solar (1) dejando el sistema térmico (4) en sobra.In the mode of operation for the generation of electrical energy, the solar radiation (1) affects the photovoltaic panels (2) which are oriented perpendicular to the solar radiation (1) leaving the thermal system (4) in excess.

Para la realización preferente del sistema fijo sin mecanismo de giro se describe a continuación la Fig 3.Fig. 3 is described below for the preferred embodiment of the fixed system without a turning mechanism.

El sistema fijo sin mecanismo de giro cumple con la misma función que el sistema provisto de mecanismo de giro con la salvedad de que el reparto de radiación para los sistemas térmico solar o fotovoltaico se realizará en función de la posición del sol y de la orientación inicial que se le haya dado a los paneles fijos.The fixed system without a rotation mechanism fulfills the same function as the system provided with a rotation mechanism, except that the radiation distribution for the solar or photovoltaic thermal systems will be carried out depending on the position of the sun and the initial orientation that has been given to the fixed panels.

En este caso se coloca un sistema de captación para le generación de energía térmica (4) sobre el cual se colocan a modo de viseras una serie de paneles fotovoltaicos (2). De esta manera cuando la radiación solar (1) incida sobre la superficie de captación un parte de ella incidirá sobre los paneles fotovoltaicos (2) y otra sobre el sistema de generación de energía térmica (4). El porcentaje de radiación que incida sobre cada uno de los sistemas irá variando para cada hora del dia y para cada dia del año según el angulo de incidencia de la radiación solar. La orientación e inclinación de los paneles tanto del sistema térmico (4) en un sistema de referencia absoluto como de los paneles fotovoltaicos (2) en un sistema de referencia referido al sistema térmico (4) se realizará de manera que durante los meses de verano la mayor parte del dia y de la superficie del sistema térmico (4) quede en sombra maximizando la producción de energía eléctrica con el sistema fotovoltaico (2). Así mismo esta orientación realizada deberá cumplir también que durante los meses de invierno la mayor parte de la energía solar captada por el sistema incida directamente sobre el sistema de generación de energía térmica (4) quedando las palcas fotovoltaicas (2) expuestas principalmente a la radiación difusa. In this case, a collection system for the generation of thermal energy (4) is placed on which a series of photovoltaic panels (2) are placed as visors. In this way, when the solar radiation (1) hits the collection surface, part of it will hit the photovoltaic panels (2) and the other on the thermal energy generation system (4). The percentage of radiation that affects each of the systems will vary for each hour of the day and for each day of the year according to the angle of incidence of solar radiation. The orientation and inclination of the panels both of the thermal system (4) in an absolute reference system and of the photovoltaic panels (2) in a reference system referred to the thermal system (4) will be carried out so that during the summer months most of the day and the surface of the thermal system (4) is in shadow maximizing the production of electrical energy with the photovoltaic system (2). Likewise, this orientation must also comply that during the winter months most of the solar energy captured by the system falls directly on the thermal energy generation system (4), leaving the photovoltaic plates (2) exposed mainly to radiation. diffuse.

Claims (2)

REIVINDICACIONES 1. Sistema de captación solar por el cual se optimiza la superficie aprovechable alternando la tecnología fotovoltaica con la solar térmica compartiendo superficie de captación.1. Solar collection system by which the usable surface is optimized by alternating photovoltaic technology with solar thermal technology by sharing the collection surface. 2. Acrónimo HATPS del inglés Hybrid Alternative Thermal and Photovoltaic System. 2. Acronym HATPS of the English Hybrid Alternative Thermal and Photovoltaic System.
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