GR20170100234A

GR20170100234A - Method for the improvement of the photovoltaic system performance via geothermy

Info

Publication number: GR20170100234A
Application number: GR20170100234A
Authority: GR
Inventors: Θεοδωρος Δημητριου Ψυρρης
Original assignee: Θεοδωρος Δημητριου Ψυρρης
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2019-02-25

Abstract

The invention presented herein is a system aiming at cooling photovoltaic cells via geothermy (fig.50). The photovoltaic cells are directly cooled via spraying. The water is collected and transported via the water discharge network to an underground plastic cistern at a depth keeping the temperature stable (fig.5). In the soil, the temperature of the water falls; a pump ensures the recirculation of the water which, being of lower temperature, ascends to the ground surface in order to cool up the photovoltaic cells. The invention allows for initial low-cost investment and enhanced performance of the photovoltaic cells in a cost effective and environmentally friendly manner. Comparing the efficiency in winter and summer period, the potential improvement of the invention’s performance will overpass the 50%.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ DESCRIPTION

ΜΕΘΟΔΟΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ METHOD OF IMPROVING THE EFFICIENCY OF PHOTOVOLTAIC SYSTEMS THROUGH GEOTHERMAL

Η παρούσα εφεύρεση αφορά ένα σύστημα ψύξης φωτοβολταϊκών στοιχείων με τη χρήση γεωθερμίας με σκοπό την βελτίωση της απόδοσης της ισχύος του. The present invention relates to a system for cooling photovoltaic elements using geothermal energy in order to improve its power efficiency.

Συστήματα σαν αυτό προς το παρόν δεν υπάρχουν στην αγορά. Παρόλο που οι εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών σταθμών και σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας γενικότερα, παρουσίασαν μεγάλη πρόοδο τα τελευταία χρόνια, υπάρχουν προβλήματα τα οποία δεν έχουν τύχει αντιμετώπισης ως τώρα. Ένα από αυτά τα προβλήματα είναι και η μείωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια χάνουν την απόδοσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες και μάλιστα σε ποσοστό που μπορεί και να υπερβαίνει το 50%. Έτσι κατά τους καλοκαιρινούς μήνες που υπάρχει και η μεγαλύτερη ηλιοφάνεια οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί δεν αποδίδουν στην βέλτιστη απόδοση τους. Αντίθετα τους χειμερινούς μήνες όπου επικρατούν χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος η απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι μεγαλύτερη σε ποσοστό της τάξης του 65%, επειδή τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ψύχονται από τις χαμηλές θερμοκρασίες που επικρατούν. Συνεπώς αν εφαρμοζόταν ένα σύστημα ψύξης κατά τους καλοκαιρινούς μήνες η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού σταθμού θα παρουσίαζε τεράστια βελτίωση. Αλλά τα συμβατικά συστήματα ψύξης καταναλώνουν μεγαλύτερο ποσό ενέργειας από αυτό που θα απέδιδε ο φωτοβολταϊκός σταθμός με τη χρήση των συστημάτων αυτών, πράγμα ασύμφορο ενεργειακά και οικονομικά. Systems like this currently do not exist on the market. Although the installations of photovoltaic plants and in renewable energy sources in general, have shown great progress in recent years, there are problems which have not been addressed until now. One of these problems is the reduction in the performance of photovoltaic elements due to the increase in temperature. Photovoltaic panels lose their performance at high temperatures and in fact at a rate that can exceed 50%. Thus, during the summer months when there is more sunshine, the photovoltaic plants do not perform at their optimal efficiency. On the contrary, in the winter months when the ambient temperatures are low, the efficiency of the photovoltaic elements is higher in the order of 65%, because the photovoltaic panels are cooled by the prevailing low temperatures. Therefore, if a cooling system were implemented during the summer months, the performance of a photovoltaic plant would show a huge improvement. But conventional cooling systems consume a greater amount of energy than what the photovoltaic station would produce using these systems, which is unprofitable in terms of energy and economics.

Η καινοτομία της παρούσας εφεύρεσης είναι ότι προσφέρει μια λύση σε αυτό το πρόβλημα με τρόπο ενεργειακά αποδοτικό και φιλικό προς το περιβάλλον. Με τη χρήση της γεωθερμίας, μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε νερό σταθερής θερμοκρασίας το οποίο χρησιμοποιείται για την ψύξη των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Ουσιαστικά, είναι ένας τρόπος συλλογής του θερμικού φορτίου από τα φωτοβολταϊκά στοιχειά και μεταφοράς του σε μια μεγαλύτερη δεξαμενή θερμότητας (στην γη). Ψυκτικό μέσον (νερό ή άλλο υγρό μέσο), αφού συλλέξει την υπερβάλλουσα θερμότητα που παράγουν διαρκώς τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, την μεταφέρει μέσω κλασικών σωληνώσεων σε δεξαμενή ψύξης εντός του εδάφους. Η τελευταία ψύχεται μέσω της βασικής αρχής της γεωθερμίας, όπου το έδαφος διατηρεί σταθερή χαμηλή θερμοκρασία. The novelty of the present invention is that it offers a solution to this problem in an energy efficient and environmentally friendly manner. By using geothermal, we can have access to constant temperature water which is used to cool the photovoltaic panels. Essentially, it is a way of collecting the heat load from the PV cells and transferring it to a larger heat reservoir (in the earth). Cooling medium (water or other liquid medium), after collecting the excess heat constantly produced by the photovoltaic elements, transports it through classic pipes to a cooling tank inside the ground. The latter is cooled through the basic principle of geothermal, where the ground maintains a constant low temperature.

Το σύστημα της ψύξης έχει την εξής μορφή. Διάταξη ψύξης του θερμασμένου μέσου εντός του εδάφους, χαρακτηριζόμενη εκ του ότι μέσω της διάταξης των σωληνώσεων, το νερό θα μεταφέρεται εντός του εδάφους, και σε ικανό για την ύπαρξη σταθερής θερμοκρασίας βάθος. Εκεί θα συλλέγεται σε πλαστική δεξαμενή, και θα ξεκινάει μια διαδρομή εντός σωλήνων ευρισκόμενων στο έδαφος. Με όλη αυτή την διαδικασία θα ανταλλάσσει θερμότητα με το εδαφικό περιβάλλον (ουσιαστικά θα μεταφέρει το θερμικό φορτίο στο έδαφος). Το νερό θα έχει πλέον χαμηλότερη θερμοκρασία όταν θα μεταφέρεται στην επιφάνεια και θα ψύχει τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. The cooling system has the following form. Device for cooling the heated medium inside the ground, characterized by the fact that through the piping arrangement, the water will be transported inside the ground, and to a depth capable of maintaining a constant temperature. There it will be collected in a plastic tank, and it will begin a route within pipes located in the ground. With this whole process it will exchange heat with the soil environment (essentially it will transfer the thermal load to the soil). The water will now have a lower temperature when it is transported to the surface and will cool the photovoltaic cells.

Το σύστημα ελέγχεται με τη χρήση ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή. Στην διάταξη ψύξης των φωτοβολταϊκών στοιχείων τοποθετείται κυκλοφορητής και στην δεξαμενή ψύξης αντλία. Επίσης υπάρχει αισθητήριο στάθμης στην δεξαμενή για αναπλήρωση του ψυκτικού μέσου όταν αυτή απαιτείται. Ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής λαμβάνει μετρήσεις μέσω αισθητήρων θερμοκρασίας από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία και όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει την ορισμένη στο πρόγραμμα τιμή, δίνει εντολή στην αντλία και τον κυκλοφορητή για να ξεκινήσει ένας κύκλος "ψεκασμών" μέχρι να πέσει η θερμοκρασία στην επιθυμητή τιμή. The system is controlled using a programmable logic controller. A circulator is placed in the cooling arrangement of the photovoltaic elements and a pump is placed in the cooling tank. There is also a level sensor in the tank for refilling the coolant when it is needed. The programmable logic controller takes readings via temperature sensors from the PV cells and when the temperature exceeds the programmed value, instructs the pump and circulator to start a "sprinkling" cycle until the temperature drops to the desired value.

Τα παραπάνω χαρακτηριστικά επιτυγχάνονται από τις εξής ειδικές κατασκευαστικές λεπτομέρειες του συστήματος ψύξης των πάνελ: The above characteristics are achieved by the following special construction details of the cooling system of the panels:

Το σύστημα της ψύξης επί των φωτοβολταϊκών στοιχείων θα έχει την εξής μορφή. Κάθε σειρά φωτοβολταϊκών στοιχείων - κάθε διάταξη φωτοβολταϊκών μπορεί να έχει μία, δυο ή και τρεις σειρές φωτοβολταϊκών στοιχείων (Σχήμα 4) - θα διατρέχεται στην πάνω πλευρά του πίσω μέρους από μια πλαστική ενισχυμένη σωλήνα (Σχήμα 1) . Η σωλήνα αυτή δεν θα είναι συνεχής, καθώς απαιτούνται σε τακτά χρονικά διαστήματα συνδέσεις τύπου «Τ». Σε κάθε φωτοβολταϊκά στοιχείο, θα υπάρχουν δυο διακλαδώσεις με συνδέσμους τύπου «Τ», που θα καταλήγουν σε σωλήνες. Οι δυο αυτοί σωλήνες (που θα ξεκινούν από τα Τ) θα διατρέχουν το πάνελ μέχρι σχεδόν το κάτω του μέρος. Ανά μικρά διαστήματα οι σωλήνες αυτοί θα έχουν εξόδους για πλαστικούς ψεκαστήρες όμοιους με αυτούς που χρησιμοποιούνται στην κηπουρική -γεωργία- κηποτεχνία (Σχήμα 1). Οι ψεκαστήρες αυτοί θα “ψεκάζουν” τα φωτοβολταϊκά στοιχεία από το πίσω μέρος με αποτέλεσμα το νερό ή όποιο ψυκτικό μέσο να προσλαμβάνει το θερμικό φορτίο και κατά συνέπεια να ψύχει τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Το σύστημα στεγανοποιείται από την πίσω πλευρά του φωτοβολταϊκού στοιχείου με ημιδιαφανή/διαφανή μεμβράνη, και στο κάτω μέρος των φωτοβολταϊκών στοιχείων θα τοποθετηθεί σύστημα συλλογής του θερμασμένου πλέον ύδατος (Σχήμα 1). Το νερό αυτό μέσω του συστήματος των σωληνώσεων θα μεταφέρεται στην διάταξη ψύξης εντός του εδάφους. Το νερό θα μεταφέρεται εντός του εδάφους, και σε ικανό για την ύπαρξη σταθερής θερμοκρασίας βάθος. Εκεί θα συλλέγεται σε πλαστική δεξαμενή, και θα ξεκινάει μια διαδρομή εντός σωλήνων ευρισκόμενων στο έδαφος. Με όλη αυτή την διαδικασία θα ανταλλάσσει θερμότητα με το εδαφικό περιβάλλον (ουσιαστικά θα μεταφέρει το θερμικό φορτίο στο έδαφος). Το νερό θα έχει πλέον χαμηλότερη θερμοκρασία όταν θα μεταφέρεται στην επιφάνεια και θα ψύχει τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. The cooling system on the photovoltaic elements will have the following form. Each row of photovoltaic cells - each photovoltaic array can have one, two or even three rows of photovoltaic cells (Figure 4) - will be run on the upper side of the back by a plastic reinforced tube (Figure 1). This pipe will not be continuous, as T-type connections are required at regular intervals. In each photovoltaic element, there will be two branches with "T" connectors, which will end in pipes. These two pipes (starting at T) will run through the panel almost to the bottom. At short intervals these pipes will have outlets for plastic sprinklers similar to those used in gardening - agriculture - horticulture (Figure 1). These sprinklers will "spray" the photovoltaic elements from the back, with the result that the water or any coolant absorbs the thermal load and consequently cools the photovoltaic elements. The system is sealed from the back side of the photovoltaic element with a semi-transparent/transparent membrane, and a collection system of the now heated water will be placed at the bottom of the photovoltaic elements (Figure 1). This water through the piping system will be transported to the cooling device inside the ground. The water will be transported within the ground, and at a depth capable of maintaining a constant temperature. There it will be collected in a plastic tank, and it will begin a route within pipes located in the ground. With this whole process it will exchange heat with the soil environment (essentially it will transfer the thermal load to the soil). The water will now have a lower temperature when it is transported to the surface and will cool the photovoltaic cells.

Το σύστημα ελέγχεται με τη χρήση ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή. Στην διάταξη ψύξης των φωτοβολταϊκών στοιχείων τοποθετείται κυκλοφορητής (Σχήμα 2) και στην δεξαμενή ψύξης αντλία (Σχήμα 3). Επίσης υπάρχει αισθητήριο στάθμης στην δεξαμενή για αναπλήρωση του ψυκτικού μέσου όταν αυτή απαιτείται. Ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής λαμβάνει μετρήσεις μέσω αισθητήρων θερμοκρασίας από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία και όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει την ορισμένη στο πρόγραμμα τιμή, δίνει εντολή στην αντλία και τον κυκλοφορητή για να ξεκινήσει ένας κύκλος "ψεκασμών" μέχρι να πέσει η θερμοκρασία στην επιθυμητή τιμή. The system is controlled using a programmable logic controller. A circulator (Figure 2) is placed in the cooling arrangement of the photovoltaic elements and a pump is placed in the cooling tank (Figure 3). There is also a level sensor in the tank for refilling the coolant when it is needed. The programmable logic controller takes readings via temperature sensors from the PV cells and when the temperature exceeds the programmed value, instructs the pump and circulator to start a "sprinkling" cycle until the temperature drops to the desired value.

Claims

1. Arrangement for cooling the heated medium inside the ground, characterized by the fact that through the piping arrangement, the water is transported inside the ground, and to a depth capable of maintaining a constant temperature (Figure 5). There it is collected in a plastic tank, and begins a journey within pipes located in the ground. With this whole process it will exchange heat with the soil environment (essentially it will transfer the thermal load to the soil). The water will now have a lower temperature when it is transported to the surface and will cool the photovoltaic cells. The system is controlled using a programmable logic controller. A circulator is placed in the cooling arrangement of the photovoltaic elements and a pump is placed in the cooling tank. There is also a level sensor in the tank for refilling the coolant when it is required. The programmable logic controller takes readings via temperature sensors from the PV cells and when the temperature exceeds the programmed value, instructs the pump and circulator to start a "sprinkling" cycle until the temperature drops to the desired value.

Dependent claims consist of the specific construction details of the cooling system of the panels. The construction details of the claim are as follows:

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that each row of photovoltaic elements (each array of photovoltaic systems has one, two or even more rows of photovoltaic elements) will run on the upper side of the rear part by a plastic reinforced tube. This pipe will not be continuous, as "T" type connections are required at regular intervals (Figure 1). In each photovoltaic panel, there will be two "outlets" with "T" connectors, which will end in pipes. These two tubes (which will start with "T") will run through the photovoltaic cell almost to the bottom. At short intervals these pipes will have outlets for plastic sprinklers similar to those used in gardening - agriculture - horticulture. These sprinklers will "spray" the panels from the back, with the result that the water or any coolant absorbs the thermal load and consequently cools the photovoltaic elements.

3. A cooling device on the photovoltaic elements, according to claim 1, characterized in that it uses spraying of cooling medium (water) directly on the back side of the photovoltaics. The system is sealed from the back side of the photovoltaic element with a semi-transparent/transparent membrane and a collection system for the now heated water will be placed at the bottom of the photovoltaic elements. This water through the piping system will be transported to the cooling device inside the ground.

4. Device for cooling the heated medium in the ground, according to claim 1, characterized in that through the piping arrangement, the water will be transported into the ground, and to a depth capable of maintaining a constant temperature (Figure 5). There it will be collected in a plastic tank, and it will begin a route within pipes located in the ground. With this whole process it will exchange heat with the soil environment (essentially it will transfer the thermal load to the soil). The water will now have a lower temperature when it is transported to the surface and will cool the photovoltaic cells.

5. An automatic photovoltaic cooling control system, according to claim 1, which is controlled using a programmable logic controller. A circulator is placed in the cooling arrangement of the photovoltaic elements and a pump is placed in the cooling tank. There is also a level sensor in the tank for refilling the coolant when it is required. The programmed logic controller takes readings via temperature sensors from the photovoltaic cells and when the temperature exceeds the programmed value, it instructs the pump and circulator to start a "sprinkling" cycle until the temperature drops to the desired value.