ITAN20090030U1

ITAN20090030U1 - COMBINED PHOTOVOLTAIC / THERMAL SOLAR SYSTEM

Info

Publication number: ITAN20090030U1
Authority: IT
Inventors: Gianni Beverina; Giuseppe Pullini
Original assignee: Gianni Beverina; Giuseppe Pullini
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-04-22

Description

D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION

annessa a domanda di Brevetto per Modello di Utilità avente per titolo: attached to the application for a Utility Model Patent entitled:

IMPIANTO SOLARE COMBINATO FOTOVOLTAICO / TERMICO COMBINED PHOTOVOLTAIC / THERMAL SOLAR SYSTEM

Forma oggetto del presente trovato un sistema per rendere utilizzabile il calore residuo di un impianto fotovoltaico, realizzando cosi un impianto “combinato” fotovoltaico / termico. The present invention relates to a system for making the residual heat of a photovoltaic system usable, thus realizing a "combined" photovoltaic / thermal system.

La tecnologia fotovoltaica permette di ottenere energia elettrica utilizzando la radiazione diretta del sole. Solo ima piccola frazione dell’energia incidente però viene trasformata in energia elettrica. Nei prodotti commerciali la resa è inferiore al 20%, mentre la restante parte viene dissipata sotto forma di calore. La dissipazione è un fattore importante nella tecnologia fotovoltaica, perché permette di mantenere bassa la temperatura delle celle fotovoltaiche, migliorandone il rendimento. Photovoltaic technology makes it possible to obtain electricity using direct radiation from the sun. However, only a small fraction of the incident energy is transformed into electricity. In commercial products the yield is less than 20%, while the remainder is dissipated in the form of heat. Dissipation is an important factor in photovoltaic technology, because it allows the temperature of the photovoltaic cells to be kept low, improving their performance.

Per questo motivo la ricerca di soluzioni per realizzare impianti solari combinati termici / fotovoltaici è cosi importante e diffusa. For this reason, the search for solutions to create combined thermal / photovoltaic solar systems is so important and widespread.

Secondo la tecnica nota, il recupero del calore dai sistemi fotovoltaici viene proposto in due modi: utilizzando aria oppure utilizzando un liquido (generalmente acqua). According to the known art, the recovery of heat from photovoltaic systems is proposed in two ways: using air or using a liquid (generally water).

Il sistema di recupero calore con aria presenta alcuni vantaggi: l’aria è sempre disponibile, può essere facilmente espulsa per smaltire il calore, ma presenta anche alcuni problemi: può essere utilizzata solo per realizzare riscaldamento ambientale, è difficile e costosa da trasportare a distanza, è generalmente rumorosa. Inoltre, il riscaldamento ad aria deve essere abbinato anche ad un sistema di trattamento aria: umidificazione, filtraggio, ricambio. The heat recovery system with air has some advantages: the air is always available, it can be easily expelled to dispose of the heat, but it also has some problems: it can only be used for space heating, it is difficult and expensive to transport at a distance , it is generally noisy. Furthermore, air heating must also be combined with an air treatment system: humidification, filtering, exchange.

Il sistema di recupero calore a liquido presenta anch’esso alcuni vantaggi: minore ingombro, maggiore capacità di dissipazione, minori costi di trasporto del liquido. Per contro, per l’abbinamento con il fotovoltaico presenta il problema della stagnazione: se per qualsiasi motivo non viene prelevata energia in un periodo di forte insolazione, il pannello si surriscalda. Temperature alte dei pannelli fotovoltaici riducono la resa energetica elettrica e, in condizioni limite, possono anche danneggiare i pannelli stessi. The liquid heat recovery system also has some advantages: smaller footprint, greater dissipation capacity, lower costs of transporting the liquid. On the other hand, for the combination with photovoltaics it presents the problem of stagnation: if for any reason no energy is taken in a period of strong insolation, the panel overheats. High temperatures of the photovoltaic panels reduce the electrical energy yield and, in extreme conditions, can even damage the panels themselves.

Scopo del presente ritrovato è quello di raffreddare i pannelli solari fotovoltaici sfruttando almeno in parte i sopra elencati vantaggi offerti sia da raffreddamento ad aria che ad acqua evitando, almeno in parte, i su elencati svantaggi connessi con medesimi sistemi. The purpose of the present invention is to cool the photovoltaic solar panels by exploiting at least in part the above listed advantages offered by both air and water cooling, avoiding, at least in part, the aforementioned disadvantages connected with the same systems.

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di recuperare almeno parte dell’energia termica ottenuta con il raffreddamento in impianti di raccolta e distribuzione di energia termica di tipologia già nota. A further purpose of the present invention is to recover at least part of the thermal energy obtained by cooling in thermal energy collection and distribution systems of a type already known.

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un impianto combinato di produzione di energia fotovoltaica e termica. A further object of the present invention is to provide a combined photovoltaic and thermal energy production plant.

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di indicare elementi modulari atti a generare contemporaneamente energia elettrica e termica. A further object of the present invention is to indicate modular elements capable of simultaneously generating electrical and thermal energy.

Questi ed altri scopi, che risulteranno chiari in seguito, sono raggiunti secondo la presente invenzione da un apparato conforme al dettato delle rivendicazioni annesse. These and other objects, which will become clear hereinafter, are achieved according to the present invention by an apparatus conforming to the provisions of the appended claims.

La fìg. 1 rappresenta schematicamente un apparato secondo Γ invenzione dove i pannelli fotovoltaici sono disposti sulla falda di un tetto. Fig. 1 schematically represents an apparatus according to the invention where the photovoltaic panels are arranged on the pitch of a roof.

La fig. 2 rappresenta schematicamente il medesimo apparato dove i pannelli fotovoltaici sono disposti su una parete verticale. Fig. 2 schematically represents the same apparatus where the photovoltaic panels are arranged on a vertical wall.

La fìg. 3 rappresenta schematicamente, dall’alto ed in sezione orizzontale, tre di possibili elementi modulari secondo una variante deH’invenzione. Fig. 3 schematically represents, from above and in horizontal section, three of possible modular elements according to a variant of the invention.

La fìg. 4 rappresenta schematicamente, dall’alto ed in sezione orizzontale, tre di possibili elementi modulari secondo una ulteriore variante dell’invenzione. Fig. 4 schematically represents, from above and in horizontal section, three of possible modular elements according to a further variant of the invention.

Con riferimento indifferentemente alle fìgg. 1 o 2, è mostrato un pannello integrato 1. With reference indifferently to figs. 1 or 2, an integrated panel 1 is shown.

Esso comprende un pannello fotovoltaico 1.1 ed una serie di canali posteriori 1.2 lungo i quali circola aria 1.3 presa dall’ambiente esterno. It includes a photovoltaic panel 1.1 and a series of rear channels 1.2 along which 1.3 air from the outside circulates.

In generale, si sarà in presenza di una pluralità di pannelli integrati 1 costituenti uno o più dei cosiddetti “campi” di pannelli solari. In general, there will be a plurality of integrated panels 1 constituting one or more of the so-called "fields" of solar panels.

Mentre, in presenza di insolazione, il pannello fotovoltaico 1.1 produce energia elettrica e, contemporaneamente, si riscalda, l’aria 1.3, lambendone la faccia posteriore, lo raffredda assorbendone energia termica. While, in the presence of insolation, the photovoltaic panel 1.1 produces electricity and, at the same time, heats up, the air 1.3, touching its rear face, cools it by absorbing thermal energy.

L’aria 1.3 all’uscita dei canali posteriori 1.2 è convogliata in un plenum di raccolta 2 di forma opportuna che obbliga detta aria 1.3 ad attraversare il lato “aria” di uno scambiatore aria/acqua 3 (di qui in poi, per brevità, “scambiatore” 3) dove per "acqua” si intende, in realtà, il più opportuno liquido termovettore. The air 1.3 at the outlet of the rear channels 1.2 is conveyed into a properly shaped collection plenum 2 which forces said air 1.3 to cross the "air" side of an air / water exchanger 3 (hereinafter, for the sake of brevity, "Exchanger" 3) where "water" actually means the most suitable heat transfer liquid.

Detto scambiatore 3 è eventualmente seguito o è alloggiato all’ interno di un possibile tonino di tiraggio 4 che, se previsto, potrebbe, per ragioni architettoniche avere la forma esterna di un normale camino e dello stile idoneo all’edifìcio così da essere sostanzialmente mascherato. Said exchanger 3 is possibly followed or is housed inside a possible draft tank 4 which, if provided, could, for architectural reasons, have the external shape of a normal fireplace and the style suitable for the building so as to be substantially masked.

Detto scambiatore 3 è dimensionato sulla base della potenza termica da smaltire. Lo scambiatore 3 è poi collegato tramite due tubazioni 6, una di mandata ed una di ritorno di un fluido termovettore, all’utenza 7 che deve utilizzare l’energia termica che l’aria 1.3 ha assorbito dai pannelli integrati 1. Said exchanger 3 is sized on the basis of the thermal power to be disposed of. The exchanger 3 is then connected via two pipes 6, one for the delivery and one for the return of a heat transfer fluid, to the user 7 who must use the thermal energy that the air 1.3 has absorbed from the integrated panels 1.

A solo titolo di esempio, nelle figure a corredo, tal utenza 7 è rappresentata come una unità di produzione di acqua calda sanitaria provvista di un serbatoio di accumulo ACS, ma essa potrebbe consistere anche in una qualsiasi altra utenza richiedente energia termica, quale un impianto di riscaldamento d’ambiente, una vasca natatoria o analoghe utenze o, ancora, consistere in combinazioni delle medesime. By way of example only, in the accompanying figures, this user 7 is represented as a domestic hot water production unit equipped with a DHW storage tank, but it could also consist of any other user requiring thermal energy, such as a system space heating, a swimming pool or similar utilities or, again, consist of combinations of the same.

La circolazione dell’aria 1.3 lungo i canali posteriori 1.2 ed attraverso lo scambiatore 3 avviene, a seconda delle situazioni (in particolare dell’assetto dei pannelli integrati 1 e delle perdite di carico attraverso passaggi d’aria all’interno dello scambiatore 3 medesimo) per semplice circolazione naturale e/o per tiraggio ad opera del torrino di tiraggio 4 e/o per effetto di una ventola di tiraggio 5 che, preferibilmente, è posta in corrispondenza dello scambiatore 3 medesimo. Air circulation 1.3 along the rear channels 1.2 and through the exchanger 3 takes place, depending on the situation (in particular the arrangement of the integrated panels 1 and the pressure drops through air passages inside the exchanger 3 itself) by simple natural circulation and / or by draft by the draft tower 4 and / or by the effect of a draft fan 5 which, preferably, is placed in correspondence with the exchanger 3 itself.

Anche la circolazione del fluido termovettore all’interno dello scambiatore 3 può avvenire indifferentemente per circolazione naturale o forzata. Also the circulation of the heat transfer fluid inside the exchanger 3 can occur indifferently by natural or forced circulation.

La circolazione naturale, ad esempio, è possibile se l’utenza 7 consiste in una piccola unità di produzione di acqua calda sanitaria il cui serbatoio di accumulo ACS è disposto in posizione più alta dello scambiatore 3. Natural circulation, for example, is possible if the user 7 consists of a small domestic hot water production unit whose DHW storage tank is placed in a higher position than the exchanger 3.

Nel caso più generale, comunque, la circolazione del fluido termovettore all’interno dello scambiatore 3 è in modalità forzata; in tal caso, sullo scambiatore 3 viene inserito, in posizione opportuna, un sensore di temperatura 8 destinato a fornire segnali agli organi di comando e controllo quali, tra l’altro, la pompa di circolazione del fluido termovettore. In the more general case, however, the circulation of the heat transfer fluid inside the exchanger 3 is in forced mode; in this case, a temperature sensor 8 is inserted on the exchanger 3 in a suitable position, intended to provide signals to the command and control elements such as, among other things, the circulation pump of the heat transfer fluid.

Nelle varianti in cui è prevista la circolazione del fluido termovettore all’ interno dello scambiatore 3 in modalità forzata, è possibile disporre lo scambiatore 3 nella posizione ritenuta più agevole, non necessariamente subito a valle del plenum di raccolta 2 (come, invece, mostrano le figg. 1 e 2) ma anche ben più in basso dei pannelli integrati 1; ad esempio in uno scantinato. Naturalmente in tal caso il tonino di tiraggio 4 non è previsto e l’aria 1.3 sarà scaricata all’esterno in qualsiasi modo noto. In the variants where the circulation of the heat-carrying fluid inside the exchanger 3 is foreseen in forced mode, it is possible to arrange the exchanger 3 in the position deemed easier, not necessarily immediately downstream of the collection plenum 2 (as, instead, the Figs. 1 and 2) but also much lower than the integrated panels 1; for example in a basement. Of course in this case the draft ton 4 is not provided and the air 1.3 will be discharged outside in any known way.

Mentre la fig. 1 mostra l’apparato secondo l’invenzione con i pannelli integrati 1 adagiati sulla falda di un tetto, la figura 2 li rappresentata installati verticalmente a parete ma, dal punto di vista funzionale, non vi sono sostanziali differenze tra i due assetti; i pannelli integrati 1 potrebbero anche giacere su una superficie orizzontale poiché la circolazione dell’aria 1.3 può essere assicurata dal tonino di tiraggio 4 e/o dalla ventola di tiraggio S. While fig. 1 shows the apparatus according to the invention with the integrated panels 1 lying on the pitch of a roof, Figure 2 represents them installed vertically on the wall but, from a functional point of view, there are no substantial differences between the two arrangements; the integrated panels 1 could also lie on a horizontal surface since air circulation 1.3 can be ensured by the draft tank 4 and / or by the draft fan S.

Addirittura, se ve ne fosse necessità, i pannelli integrati 1 potrebbero essere anche disposti in contropendenza (cioè con la bocca di uscita dei canali posteriori 1.2 più bassa della bocca di ingresso) assicurando la circolazione dell’aria 1.3 tramite la ventola di tiraggio S. Indeed, if necessary, the integrated panels 1 could also be arranged in counter-slope (ie with the outlet of the rear channels 1.2 lower than the inlet) ensuring air circulation 1.3 through the draft fan S.

Il vantaggio dell’apparato secondo l’invenzione, in misura diversa a seconda delle varianti possibili, è che possono venir separate nettamente le due funzioni fondamentali per un impianto solare combinato termico/fotovoltaico (il raffreddamento delle celle fotovoltaiche ed il recupero di calore) offrendo grande flessibilità di impiego. Infatti, in genere, la superficie fotovoltaica è sovradimensionata per le necessità termiche, specie estive, ma è possibile, con semplici attuatori elettromeccanici, regolare il flusso dell’aria sotto i pannelli fotovoltaici 1.1 per ottimizzare sia il recupero energetico, sia il raffreddamento dei medesimi. The advantage of the apparatus according to the invention, to varying degrees depending on the possible variants, is that the two fundamental functions for a combined thermal / photovoltaic solar system (cooling of photovoltaic cells and heat recovery) can be clearly separated, offering great flexibility of use. In fact, in general, the photovoltaic surface is oversized for thermal needs, especially in summer, but it is possible, with simple electromechanical actuators, to regulate the air flow under the photovoltaic panels 1.1 to optimize both energy recovery and cooling. .

Nulla vieta, per contro, che, se ad esempio la superficie fotovoltaica fosse, invece, sottodimensionata rispetto alle esigenze termiche, l’utenza 7 possa anche attingere da altre fonti energetiche, sia convenzionali che rinnovabili. On the other hand, nothing prevents the user from being able to draw from other energy sources, both conventional and renewable, if, for example, the photovoltaic surface is undersized with respect to thermal needs.

Molte altre varianti dell’invenzione sono possibili. Many other variants of the invention are possible.

Ad esempio, un unico campo di pannelli integrati 1 potrebbe fornire energia termica ad una pluralità di scambiatori 3 come, viceversa, più campi di pannelli integrati 1 potrebbero fornire energia termica ad un unico scambiatore 3. For example, a single field of integrated panels 1 could supply thermal energy to a plurality of exchangers 3 as, conversely, several fields of integrated panels 1 could provide thermal energy to a single exchanger 3.

In generale, quindi, l’apparato secondo Γ invenzione può prevedere più campi di pannelli integrati 1 e più scambiatori 3 distribuiti ove è più opportuno. In general, therefore, the apparatus according to the invention can provide for multiple fields of integrated panels 1 and multiple exchangers 3 distributed where it is more appropriate.

Il presente ritrovato è particolarmente agevole da realizzare ricorrendo ad un particolare tipo di pannello fotovoltaico, brevettato con N° 0001326175 in data 13/01/2005, che ha come particolarità la possibilità di avere incorporate una pluralità di canalizzazioni longitudinali (cioè di canali posteriori 1.2) sotto dei pannelli fotovoltaici 1.1 ma, naturalmente, possono essere utilizzati anche altri tipi di pannelli fotovoltaici 1.1 nella parte posteriore dei quali vengano predisposte opportune canalizzazioni d’aria 1.2. The present invention is particularly easy to realize by resorting to a particular type of photovoltaic panel, patented with N ° 0001326175 on 13/01/2005, which has as its particularity the possibility of having incorporated a plurality of longitudinal channels (i.e. rear channels 1.2 ) under the photovoltaic panels 1.1 but, of course, other types of photovoltaic panels 1.1 can also be used in the rear part of which appropriate air ducts are prepared 1.2.

La fig. 3 mostra dei possibili elementi modulari integrati che possono facilmente essere derivati dai suddetti pannelli fotovoltaici secondo diverse varianti che prevedono una integrazione di componenti più o meno spinta. Fig. 3 shows possible integrated modular elements which can easily be derived from the aforementioned photovoltaic panels according to different variants which provide for a more or less pushed integration of components.

La fig. 3 mostra, infatti, tre di una pluralità di pannelli integrati 1 affiancati l’uno all’altro, privi della copertura di celle fotovoltaiche per mostrarne l’interno. Fig. 3 shows, in fact, three of a plurality of integrated panels 1 side by side, without the covering of photovoltaic cells to show the inside.

Ciascun pannello integrato 1 è munito di un suo troncone di scambiatore aria/acqua 3 che ha le estremità 3.1 e 3.2 conformate in modo da essere atte ad essere giuntate tra loro (ciascuna con la successiva del successivo pannello integrato 1) in modo stagno affinché un liquido termovettore possa circolare all’interno. Nell’esempio, ciò si ottiene tramite un giunto a bicchiere e delle guarnizioni di tenuta (non mostrate). Each integrated panel 1 is equipped with its own section of air / water exchanger 3 which has the ends 3.1 and 3.2 shaped so as to be able to be joined together (each with the next of the next integrated panel 1) in a watertight manner so that a heat transfer liquid can circulate inside. In the example, this is achieved by means of a socket joint and sealing gaskets (not shown).

La superficie di scambio termico è costituita da una serie di alette 3.4. The heat exchange surface consists of a series of fins 3.4.

In definitiva, tal scambiatore aria/acqua 3 è del tutto analogo ai corpi scaldanti molto bassi ed allungati utilizzati per il riscaldamento d’ambiente disponendoli in corrispondenza degli zoccoli di pareti di ambienti dove non è possibile occupare la parete medesima (ad es. perché consiste in una vetrata). Ultimately, this air / water exchanger 3 is completely analogous to the very low and elongated heating bodies used for space heating, arranging them in correspondence with the baseboards of the walls of rooms where it is not possible to occupy the same wall (e.g. because it consists in a stained glass window).

Sostanzialmente tali tronconi di scambiatore aria/acqua 3, disegnati in modo molto schematico, consistono in batterie alettate di tipo di per sé noto ad uno o più tubi, diritti o provvisti di anse. Basically, these air / water exchanger sections 3, drawn in a very schematic way, consist of finned coils of a per se known type with one or more pipes, straight or provided with loops.

Al di sopra di tali tronconi di scambiatore aria/acqua 3, la scocca 1.4 forma dei corrispondenti spazi che sono altrettanti tronconi del plenum di raccolta 2 dell’aria 1.3. Secondo tal variante, pertanto, accostando ciascun pannello integrato 1 al successivo, si compone anche lo scambiatore aria/acqua 3 ed il plenum di raccolta dell’aria 2 che, in tal caso, è a valle dello scambiatore aria/acqua 3 al contrario di quanto mostrato nelle figg. 1 e 2. Above these sections of the air / water exchanger 3, the body 1.4 forms the corresponding spaces which are as many sections of the air collection plenum 2 1.3. According to this variant, therefore, by placing each integrated panel 1 next to the next, the air / water exchanger 3 and the air collection plenum 2 are also composed which, in this case, is downstream of the air / water exchanger 3 as opposed to what is shown in figs. 1 and 2.

L’integrazione, però, potrebbe essere non così elevata. Come mostrato in fig. 4, ad esempio, i pannelli integrati 1 potrebbero essere del tipo già illustrato nelle figg. 1 e 2 ma prevedere all’uscita, all’interno del plenum di raccolta 2 costruito a sé stante, lo scambiatore aria/acqua 3 dello stesso tipo appena descritto e che corre per tutta la larghezza di detti pannelli integrati 1. However, integration may not be as high. As shown in fig. 4, for example, the integrated panels 1 could be of the type already illustrated in figs. 1 and 2 but provide at the outlet, inside the collection plenum 2 built on its own, the air / water exchanger 3 of the same type just described and which runs along the entire width of said integrated panels 1.

Claims

CLAIMS Rev. 1 Apparatus for the combined production of electrical and thermal energy from a solar source, said apparatus comprising a plurality of fields of integrated panels (1) each of which in turn comprises photovoltaic panels (1.1) and a series of rear channels (1.2) along which circulates air (1.3) taken from the external environment, characterized by the fact that said plurality of one or more fields of integrated panels (1) supplies thermal energy to one or more exchangers (3), - said air (1.3) being conveyed towards said plurality of exchangers (3) through a collection plenum (2) which force said air (1.3) to cross the "air" side of the exchangers (3) where said collection plenums (2 ) can be provided upstream or downstream of said exchangers (3), - while each of said exchangers (3) is connected by means of two pipes (6), one for the delivery and one for the return of a heat transfer fluid, to a user (7) suitable for using the thermal energy that said air (1.3) has absorbed by said integrated panels (1). Rev.

2 Apparatus according to claim 1, characterized in that the circulation of said air (1.3) occurs by natural circulation. Rev.

3 Apparatus according to claims 1 or 2, characterized in that for said natural circulation a draft tower (4) is further provided in correspondence with one or more of said exchangers (3). Rev.

4 Apparatus according to claims 1 or 2 or 3, characterized in that for the activation of the circulation of said air (1.3) there are draft fans (5), said draft fans (5) being preferably placed in correspondence with said exchangers (3). Rev.

5 Apparatus according to any preceding claim, characterized in that the circulation of the heat-carrying fluid from said exchangers (3) to the corresponding users (7) occurs by natural circulation. Rev.

6 Apparatus according to any preceding claim except claim S, characterized by the fact that the circulation of the heat-carrying fluid from said exchangers (3) to the corresponding users (7) takes place by forced circulation and sensors (8) are provided on said exchangers (3) intended to provide signals to the command and control organs of the apparatus itself. Rev.

7 Apparatus according to at least claim 3, characterized in that said exchangers (3) are arranged inside said draft towers (4). Rev.

8 Apparatus according to the preceding claim, characterized in that these draft towers (4) have an external shape similar to a normal fireplace and the architectural style of the building that houses them. Rev.

9 Apparatus according to any preceding claim, 7 and 8 excluded, characterized in that said exchanger (3) is arranged in a lower position than the integrated panels (1). Rev.

10 Apparatus according to any preceding claim, characterized in that these utilities (7) may consist of any user requiring thermal energy at the temperatures obtainable from the apparatus itself. Rev.

11 Apparatus according to any preceding claim, characterized by the fact that These users (7) can also receive thermal energy from other energy sources, both conventional and renewable. Rev.

12 Apparatus according to any preceding claim, characterized by the fact that this air / water exchanger (3) is placed immediately at the air outlet (1.3) from said integrated panels (1) and extends substantially over the entire width of the same inside the collection plenum (2). Rev.

13 Integrated panel (1) characterized by the fact that it is equipped with its own section of air / water exchanger (3) with ends (3.1, 3.2) which are able to join each other in a watertight manner with the next of a subsequent integrated panel (1). Rev.

14 Integrated panel (1) characterized by the fact that it is further equipped, downstream of said section of air / water exchanger (3), with a section of the collection plenum (2).