ES2784465A1 - Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios - Google Patents

Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios Download PDF

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Abstract

Dispositivo captador solar hibrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios. Consiste en un dispositivo modular, de instalación en fachada y/o cubiertas, para la producción de agua caliente sanitaria y electricidad a partir de energía solar. Está compuesto por al menos un vidrio fotovoltaico para la producción de electricidad, material de cambio de fase para el almacenamiento térmico y un intercambiador agua-PCM para la producción de agua caliente sanitaria La sustitución de los paneles fotovoltaicos convencionales por vidrios fotovoltaicos que propone la invención mejora tanto la acumulación de energía, debido a que la radiación solar incide directamente sobre el disipador, como la estética resultante del edificio, al presentar una superficie homogénea con una gran variedad de colores. Este último aspecto facilitaría la integración arquitectónica de este tipo de dispositivos tanto en edificios nuevos como en los procesos de rehabilitación energética de edificios existentes.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios
Sector de la técnica
La presente invención corresponde al área de la ingeniería energética, y se enmarca dentro del sector de la edificación. Entre otras aplicaciones, puede utilizarse en el campo de la rehabilitación de edificios.
Antecedentes de la invención
Los equipos para el aprovechamiento de la energía solar en edificios de vivienda suelen instalarse en la cubierta de los mismos debido a la superficie necesaria para la ubicación de los paneles solares para producción de energía térmica o eléctrica. Esto supone una limitación en caso de tipología de edificios en bloque pues la cubierta no suele tener espacio suficiente para albergar los paneles necesarios para abastecer de energía a la totalidad de las viviendas.
Se han diseñado algunos sistemas para la instalación de los equipos de aprovechamiento de energía solar en las fachadas de los edificios con la idea de ampliar la superficie de captación del mismo. Por ejemplo, la patente WO2009043338 [1], consta de un panel para fachada que capta y almacena la energía solar térmica incidente que, posteriormente, se transfiere al agua caliente sanitaria mediante un serpentín de tuberías incorporado en el interior. Además, el almacenamiento se realiza a través de materiales de cambio de fase (PCM) [2] [3] que, además de disminuir el volumen de la instalación frente a los sistemas convencionales, ofrece un efecto aislante y termorregulador gracias a la baja conductividad de estos materiales y de su capacidad para mantener una temperatura constante entorno a su punto de fusión.
Estos sistemas pueden mejorarse incorporando un panel fotovoltaico estándar para la producción de electricidad, de forma que una misma superficie transformaría la energía solar en energía eléctrica y la energía disipada (en torno al 90%) se almacenaría para usos térmicos, como puede ser el aprovechamiento para agua caliente sanitaria, incrementando así el rendimiento global del sistema de captación. Además, el efecto termorregulador del PCM permitiría obtener el máximo rendimiento de transformación en energía eléctrica de la célula fotovoltaica al impedir altas temperaturas. Sin embargo, este tipo de panel fotovoltaico estándar (compuesto por una matriz de células fotovoltaicas) no son muy adecuados para su integración en fachadas de edificios desde un punto de vista estético.
Un ejemplo de este tipo de dispositivos se puede encontrar en la patente DE102014011705A1 [4] que consta de un panel fotovoltaico adosado a un panel de PCM y de instalación en fachada, o en la patente EP2239388A1 [5] de composición similar. La energía almacenada por el PCM puede disiparse mediante una corriente de aire [6] o un flujo de agua que podría utilizarse para la producción de ACS [7].
Algunos diseños, con el objeto de incrementar el rendimiento de la transformación en energía eléctrica, incorporan la superposición de un vidrio sobre el panel fotovoltaico. La patente FR2902182A1 [8] incorpora un vidrio de concentración solar en el módulo fotovoltaico. Las patentes CN103986414A [9] y CN106486563A [10] hacen referencia al uso de una cubierta de vidrio sobre el módulo fotovoltaico con el objeto de la mejora de las propiedades ópticas de dicho módulo. Importante resaltar que este tipo de vidrios no producen electricidad, es decir, no pueden sustituir al panel fotovoltaico.
Actualmente, existe una tecnología de vidrios semitransparentes que sí producen energía eléctrica a partir de la radiación solar [11]. Este tipo de vidrios fotovoltaicos transparentes se pueden utilizar para sustituir el vidrio convencional de una ventana [12], debido a que presenta alta transmisividad en el espectro visible de la radiación solar.
Por tanto, este de vidrios fotovoltaicos serían adecuados para su integración en los sistemas de captación solar anteriormente descritos pudiendo así eliminar el panel fotovoltaico estándar. Esto, mejoraría claramente la estética del sistema favoreciendo su integración en las fachadas de los edificios. Ninguna de las patentes revisadas en el presente informe utiliza este tipo de vidrios fotovoltaicos.
Listado de referencias empleadas
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[2] T. Bouhal, T. El Rhafiki, T. Kousksou, A. Jamil y Y. Zeraouli, «PCM addition inside solar water heaters: Numerical comparative approach,» Journal of Energy Storage, vol. 19, pp.
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[3] A. Kasaeian, L. bahrami, F. Pourfayaz, E. Khodabandeh y W.-M. Yan, «Experimental studies on the applications of PCMs and nano-PCMs in buildings: A critical review,» Energy and Buildings, vol. 154, pp. 96-112, 2017.
[4] A. Gleich, «Photovoltaic (PV) -Fassadenkonstruktionen with phase change materials (PCM) - PV PCM facades». Patente DE102014011705A1, 07082014.
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[8] F. P. H. Pierre, «Dispositif multicouche collecteur d'ernergie thermique pour convertisseur photonique du rayonnement solaire, du rayonnement atmospherique et du rayonnement de l'espace». France Patente 0605132, 2006.
[9] W. ZHANGYUAN, Y. WANSHENG, Z. XIANGMEI, Q. FENG y Z. XUDONG.Patente CN103986414 (A), 2014.
[10] Y. YANPING, Y. XIAOJIAO, S. LIANGLIANG, C. XIAOLING y Y. NANYANG, «Photovoltaic photothermal collector based on phase change thermal management». Patente CN106486563A, 2017.
[11] C. Kung-Shih, S. Jose-Francisco, Y. Hin-Lap, H. Lijun, H. Jianhui y K.-Y. J. Alex, «Semitransparent polymer solar cells with 6% PCE* 25% average visible transmittance and a color rendering Índex close to 100 for power generating window applications,» Energy Environ Sci, vol. 5, pp. 9551-9557, 2012.
[12] T. C. Young, K. Jeehwan, P. Hongsik y S. Byungha, «Building energy performance evaluation of building integrated photovoltaic (BIPV) window with semi-transparent solar cells,» Applied Energy, vol. 129, pp. 217-227, 2014.
Explicación de la invención
Los equipos para el aprovechamiento de la energía solar en edificios de viviendas suelen instalarse en la cubierta de los mismos. Esta ubicación supone una limitación importante cuando la cubierta no posee espacio suficiente para albergar los dispositivos necesarios para abastecer a la totalidad de las viviendas. Para superar esta limitación, se han desarrollado algunos sistemas para la instalación de los equipos de aprovechamiento de energía solar en las fachadas de los edificios, con la idea de ampliar la superficie de captación del mismo. Sin embargo, estos sistemas adolecen de la limitación estética e impacto visual que aporta el empleo de paneles fotovoltaicos.
La presente invención consiste en un dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de los edificios. Consiste en un elemento para el aprovechamiento de la energía solar, para producción energía eléctrica y acumulación de energía térmica para uso en agua caliente sanitaria, integrable en la fachada o cubierta de un edificio, que sustituye el panel fotovoltaico convencional por un vidrio fotovoltaico, eliminando con ello las limitaciones estéticas que produce el empleo de paneles fotovoltaicos convencionales en la fachada de los edificios, a la vez que mejora la acumulación de energía, ya que, al tratarse de vidrios transparentes, la radiación solar incide directamente sobre el disipador térmico.
El dispositivo está compuesto fundamentalmente por al menos un vidrio fotovoltaico para la producción de electricidad, material de cambio de fase para el almacenamiento térmico y un intercambiador agua-PCM para la producción de agua caliente sanitaria. Además de éstos, la invención también incorpora disipadores térmicos, aislantes térmicos, y elementos de fijación.
El dispositivo propuesto puede ensamblarse modularmente a otros, hasta cubrir el área de cerramiento del edificio requerida.
Las principales ventajas del sistema se describen a continuación. Por un lado, su instalación en cerramientos exteriores, fachadas o cubiertas, permite aumentar la superficie de captación de energía solar del edificio frente a los sistemas convencionales que suelen instalarse en cubiertas. Por otra parte, la incorporación del PCM mejoraría el comportamiento térmico del edificio reduciendo el consumo en refrigeración, al limitar la temperatura superficial exterior, así como el de calefacción, al incrementar el efecto aislante. Por último, la sustitución de los paneles fotovoltaicos convencionales por vidrios fotovoltaicos mejoraría tanto la acumulación de energía, debido a que la radiación solar incide directamente sobre el disipador térmico, como el aspecto visual del edificio al resultar una superficie homogénea y con una alta gama de colores.
Breve descripción de los dibujos
En la figura 1 se muestra el perfil de un módulo. En el esquema se muestran los siguientes componentes:
- Vidrio fotovoltaico (1).
- Placa conductora térmica de alta absortividad (2).
- Material de cambio de fase (PCM) (3).
- Intercambiadores de calor agua-PCM (4).
- Conductos por los que discurre el agua a calentar para su uso doméstico (5).
- Capa de aislamiento (6).
- Elementos de sujeción (7) con el cerramiento exterior del edificio.
Realización preferente de la invención
El dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de los edificios comprende los siguientes elementos:
- Un vidrio fotovoltaico (1).
- Una placa conductora térmica de alta absortividad (2).
- Material de cambio de fase (PCM) (3).
- Intercambiadores de calor agua-PCM (4).
- Conductos por los que discurre el agua a calentar para su uso doméstico (5).
- Una capa de aislamiento (6).
- Uno o más elementos de sujeción (7) con el cerramiento exterior del edificio.
El vidrio fotovoltaico (1), situado en la parte exterior del dispositivo, produce electricidad a partir de la energía solar recibida. El excedente de la energía solar no transformada por el vidrio fotovoltaico, se disipa en forma de energía térmica. Esta energía térmica es reconducida mediante un sistema de disipación (2) hacia el interior del dispositivo, donde se almacena en el material PCM (3). Además, la fracción de radiación solar visible que traspasa el vidrio incide directamente sobre el disipador en el PCM. La descarga de la energía almacenada por el PCM se realiza a través del intercambiador interior para el calentamiento del agua sanitaria del edificio (4).
El intercambiador de calor (4) consta de un serpentín de tuberías (5) que se dispone en el material PCM. Por las tuberías (5) discurre agua a calentar para su uso doméstico (ACS). La forma y recorrido de las tuberías son tales que maximizan la transferencia de calor entre el PCM y el agua.
Opcionalmente el dispositivo podría contener una cámara de aire entre el vidrio fotovoltaico (1) y la placa conductora (2).
El dispositivo se complementa con una capa de aislamiento (6), de la que parten los elementos de sujeción (7) del dispositivo con el cerramiento exterior del edificio.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, que comprende:
a) Un vidrio fotovoltaico (1).
b) Una placa conductora térmica de alta absortividad (2).
c) Material de cambio de fase (PCM) (3).
d) Intercambiadores de calor agua-PCM (4).
e) Conductos por los que discurre el agua a calentar para su uso doméstico (5).
f) Una capa de aislamiento (6).
g) Uno o más elementos de sujeción (7) con el cerramiento exterior del edificio.
2. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicación 1, caracterizado por que el vidrio fotovoltaico (1), situado en la parte exterior del dispositivo, produce electricidad a partir de la energía solar recibida.
3. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicación 1, caracterizado porque utiliza material de cambio de fase PCM (3) como elemento almacenador de energía, incremento del aislamiento y regulador de temperatura.
4. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicación 1, caracterizado por que el excedente de la energía solar no transformada por el vidrio fotovoltaico, se disipa en forma de energía térmica y es reconducida mediante un sistema de disipación (2) hacia el interior del dispositivo, donde se almacena en el material PCM (3).
5. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicación 4, caracterizado por que la fracción de radiación solar visible que traspasa el vidrio incide directamente sobre el disipador en el material PCM.
6. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicación 4, caracterizado por que la descarga de la energía almacenada por el material PCM se realiza a través del intercambiador interior para el calentamiento del agua sanitaria del edificio (4).
7. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicación 1, caracterizado porque el intercambiador de calor (4) consta de un serpentín de tuberías (5) por las que discurre agua a calentar para su uso doméstico (ACS).
8. Dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicación 1, caracterizado porque su configuración le permite ser ensamblado a otros módulos para adaptarse a la fachada o cubierta del edificio.
9. Uso del dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicaciones anteriores para producir electricidad y agua caliente a partir de la energía solar.
10. Uso del dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicaciones anteriores, para mejorar la estética exterior del edificio sobre el que se coloca, debido a la superficie homogénea que presenta y a la amplia gama de colores de los vidrios fotovoltaicos que es posible emplear.
11. Uso del dispositivo captador solar híbrido termo-eléctrico modular e integrable en la envolvente de edificios, según reivindicaciones anteriores, para facilitar la integración arquitectónica de este tipo de dispositivos tanto en edificios nuevos como en los procesos de rehabilitación energética de edificios existentes.
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