ITAQ20070009A1 - Sistema a concentrazione di energia solare per uso fotovoltaico e/o termico con recupero di calore tramite scambiatori a fluido in serie - Google Patents

Sistema a concentrazione di energia solare per uso fotovoltaico e/o termico con recupero di calore tramite scambiatori a fluido in serie Download PDF

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Description

SISTEMA A CONCENTRAZIONE DI ENERGIA SOLARE PER USO FOTOVOLTAICO E/O TERMICO CON RECUPERO DI CALORE TRAMITE SCAMBIATORI A FLUIDO IN SERIE
PREMESSA
I sistemi a concentrazione solare sono dispositivi in grado di raccogliere e convogliare la radiazione solare verso un ricevitore convertendo l'energia solare in energia elettrica e termica.
I sistemi a concentrazione, in funzione delle specifiche finalità, possono essere essenzialmente classificati in di due tipologie, quali:
b) fotovoitaieo/termico: produce energia elettrica sfruttando te proprietà di particolari elementi fotovoltaici, quando sollecitati dalla luce, e contestualmente genera energia termica;
a) termico: produce esclusivamente energìa termica utilizzando i raggi solari per scaldare un fluido contenuto nel suo interno che, tramite un apposito scambiatore, cede calore ad un altro fluido generalmente contenuto in un serbatoio di accumulo;
Per quanto concerne i sistemi a concentrazione di tipo fotovoltaico/termico, questi sono dispositivi concepiti e finalizzati a concentrare l’energia solare su cellule fotovoltaiche multigiunzione. Questo tipo di cellula è costituita da strati sovrapposti di materiali diversi capaci di trasformare in elettricità una parte dello spettro della luce solare.
Le cellule fotovoltaiche ad elevata efficienza ricevono l’energia solare concentrata da opportuni sistemi ottici; le temperature che si possono raggiungere sulle zone di concentrazione possono essere notevoli, superiori ad alcune centinaia di gradi, se non si provvedesse allo smaltimento del calore con opportuni sistemi di trasmissione del calore.
II sistema di smaltimento del calore viene di solito dimensionato in modo da mantenere il livello delle temperature sulla fotocellula nell’ordine dei 70°C poiché questo valore è considerato il limite da non oltrepassare al fine di massimizzare l’efficienza delle fotocellula in relazione alla conversione di energia solare in energia elettrica.
Per temperature superiori l’efficienza di conversione dell’energia luminosa in energia elettrica inizia a diminuire.
Studi sperimentali hanno dimostrato che le fotocellule multigiunzione resistono bene a temperature di lavoro superiori a I30°C; in queste condizioni però le efficienze di conversione elettrica diminuiscono di diversi punti percentuali rispetto ai valori ottimali.
Buona parte delle utenze civili ed alcune anche industriali necessitano di energia elettrica e di energia termica sia per la produzione di acque sanitarie, sia per il funzionamento dei sistemi di riscaldamento o raffreddamento. Spesso, in molte tipologie di utenze, le due quantità di energia sono pressoché equivalenti.
Un sistema fotovoltaico in grado di fornire energia elettrica e un equivalente ammontare di energia termica è quindi di particolare interesse per innumerevoli utenze.
Val la pena considerare che un impianto fotovoltaico ad elevata efficienza, sulla base delle tecnologie attualmente disponìbili, può operare con una efficienza di conversione vicina al 30% per l’energia elettrica e deve smaltire una quantità di calore almeno equivalente che quindi potrebbe essere utilizzata per gli usi termici.
Per potere utilizzare in maniera idonea anche l'energia termica sviluppata dal sistema a concentrazione solare, occorre collegare la fotocellula ad uno scambiatore termico a fluido tale da conferire allo stesso un livello termico non inferiore ai 100-110°C, temperature queste che permetterebbe sia le utilizzazioni invernali per la produzione di calore da utilizzare per il condizionamento ambientale.
Di contro un così elevato livello termico del fluido di raffreddamento implicherebbe temperature di esercizio delle fotocellule altrettanto alte che, come già detto, causerebbero una bassa efficienza di conversione fotovoltaica.
In altri termini, stanti gli attuali vincoli connessi allo stato dell’arte, nei concentratori fotovolotaici un eventuale recupero di energia termica con livello di temperatura utilizzabile a fini civili ed industriali, implicherebbe una minore efficienza di conversione di energia solare in energia elettrica.
OBIETTIVI
Gli obiettivi della nostra invenzione mirano ad incrementare l’efficienza globale del sistema fotovoltaico a concentrazione tramite:
1 ) La conversione ad alte rendimento dell’energia luminosa in energia elettrica;
2) Il recupero contestuale dell’energia termica, tramite opportuni scambiatori a fluido;
3) innalzamento del livello termico del fluido di scambio con temperature superiori anche a 100-1 10 °C, in modo tale da utilizzarlo per possibili applicazioni connesse ad utenze di tipo industriale e civile, quali:
produzione di acqua calda per il funzionamento di impianti di riscaldamento e per acque sanitarie;
produzione di freddo per i sistemi di condizionamento termico e refrigerazione.
DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE
L’innovazione proposta riguarda le modalità dì funzionamento di sistemi a concentrazione solare con finalità rivolte alla conversione, ad alta efficienza, di energia solare in energia elettrica ed al recupero contestuale dell’energia termica con livelli di temperatura tali da poterla utilizzare per utenze di tipo civile ed industriale.
Più in dettaglio l’innovazione si prefigge di recuperare l’energia termica del concentratore a livelli di temperature dell’ordine di 100-110<a>C, ovvero a valori compatibili con applicazioni sia di tipo invernale per il riscaldamento (produzione dì caldo) che di tipo estivo per il condizionamento ambientale (produzione di freddo), senza però abbattere drasticamente l 'efficienza di conversione dell'energia solare in energia elettrica attraverso le fotocellule.
Con riferimento alla FIG. 1, il sistema proposto è costituito da un numero n di concentratori l di energia solare le cui superfici di concentrazione sono funzionalmente accoppiate ad altrettanti scambiatori termici 2 a fluido tra loro collegati in serie tramite opportuna tubazione 3, in modo tale da conferire al fluido stesso salti termici incrementali e consequenziali in corrispondenza dei passaggio del fluido su ogni scambiatore termico.
Il sistema, realizzato in serie, può essere costituito da una successione di concentratori solari del tipo:
1) esclusivamente fotovoltaico/termico;
2) esclusivamente termico;
3) misto tra fotovoltaico/termico e termico.
Con riferimento alla FIG. 2, il sistema è composto da una serie di n concentratori solari C, (i=l ,2,..n) ognuno dei quali è funzionalmente accoppiato al corrispettivo scambiatore termico S, (i=1,2,,.n) a fluido finalizzato a raffreddare la superficie di concentrazione; a loro volta tutti gli scambiatori termici sono collegati tra loro in serie tramite opportune tubazioni di
Il fluido refrigerante entra nel sistema in corrispondenza del primo scambiatore S], con una portata Q|e temperatura 7*,, ed esce dal sistema stesso, ovvero dall’ultimo scambiatore S„ delia serie, con una temperatura ; Il sistema consente di conferire al fluido di raffreddamento un salto termico complessivo attraverso i seguenti passi: ;a) il fluido di raffreddamento del sistema, proveniente dallo scambiatore S,_i (con i=l,2,..n), raggiunge lo scambiatore successivo S, con una temperatura di entrata T\ subisce un salto termico ΔΤ, ed abbandona lo stesso scambiatore S, con una temperatura di uscita pari a T<u>,=TVàT,. L'entità del salto termico ΔΤ, resta predefinita dal valore imposto alla portata Q, del fluido di raffreddamento. ;b) il fluido, uscente dallo scambiatore S, con temperatura T<u>„ raggiunge lo scambiatore successivo S,_|con una temperatura di entrata Τ*,+ι= TV^Tjdove ΔΤ’, (con j=l ,2,..n-l) rappresenta la perdita di temperatura subita dal fluido nel tratto di tubo j-mo che collega lo scambiatore Sj a quello successivo S,+]. In corrispondenza dello scambiatore S,H, con le stesse modalità descritte nel punto precedente, il fluido subisce un ulteriore salto termico incrementale pari a ΔΤ,+1
Il funzionamento descritto nei punti precedenti viene iterato tante volte quanti sono i concentratori solari della serie sino a raggiungere un livello termico del fluido desiderato (T<u>n), ovviamente compatibile con l'energia termica del sistema.
Nell'ipotesi di considerare un sistema misto costituito cioè da un numero n di concentratori solari disposti in serie di cui una parte m di tipo esclusivamente fotovoltaico/termico e la restante parte (n-m) di tipo esclusivamente termico e posta a fine serie, la temperatura del fluido uscente daH’ultimo scambiatore è data dalla seguente relazione:
Di conseguenza il salto termico complessivo del fluido si ricava dall’espressione:
2)
Si è quindi ideato un svtema di raffreddamento a fluido che collega in serie gli scambiatori termici dei rispettivi concentratori solari. A titolo di esempio il sistema proposto può essere dimensionato in modo tale che il fluido di raffreddamento raggiunge la prima fotocellula alla temperatura di circa 20°C con portate tali da sottrarre alla stessa sufficiente calore da mantenerla a bassa temperatura; ii fluido abbandona ogni fotocellula con un incremento di temperatura di 10°C. Pertanto, il fluido di refrigerazione, con i passaggi nei successivi scambiatori termici delle rispettive fotocellule.
incrementa ad ogni passaggio la sua temperatura di 10°C, sino a raggiungere la temperatura desiderata superiore anche a 100 °C.. Con questo criterio di funzionamento , tutte le prime fotocellule attraversate dal fluido refrigerante operano a temperature molto basse e quindi ad elevata efficienza di conversione elettrica; soltanto poche fotocellule, poste in corrispondenza degli ultimi scambiatori della serie, operando a temperature più elevate sono penalizzate da un minor rendimento elettrico nell' ordine di qualche punto percentuale.
La perdita elettrica complessiva diviene quindi irrisoria una volta mediata con la maggiore efficienza delle altre fotocellule che lavorano a bassa temperatura.
Con questo sistema si ottiene una energia termica a temperatura utilizzabile, con il conseguente risultato di avere praticamente raddoppiato l’efficienza di tutto il sistema fotovoltaico, potendo utilizzare l’energia solare almeno al 60-65% sotto forma di energia elettrica (circa 30%) e di calore (circa 30-35%).
L'ultimo passaggio per elevare i ulteriormente la temperatura del fluido refrigerante può essere realizzato in un ultimo concentratore privo di fotocellula , ovvero di tipo esclusivamente termico, in modo da ottenere un maggior salto termico, Tutta la problematica si rivela so stanzialmente equivalente se si tratta di concentratori solari dedicati esclusivamente alla concentrazione solare per usi term lici.
Si riporta di seguito un esempio a| pplicativo costituito da 6 concentratori solari collegati in serie di cui i primi cinque sono di tipo fotovoltaico/termico ed il qui into è di tipo esclusivamente termico; ogni concentratore solare è dotato del corrispettivo scambiatore a fluido.
Le ipotesi di calcolo adottate sono i le seguenti:
Temperatura ambiente: 30°C
Fluido di raffreddamento: ac qua
Portata (Q,) del fluido di rafl fredda mento: 3 Htri/h;
Superficie di concent-azione del singolo concentratore solare: 100 mm<2>
Temperatura (Τ3⁄4 dell’acquó i in ingresso: 20 °C
Lunghezza del tratto di tuba; rione in rame che collega due scambiatori in successione: 50mm
Conducibilità termica della t ubazioni in rame: 0.0397 Wm 'K<'1>
I risultati del calcolo inerenti il sistema considerato sono riportati, in forma sintetica, nella tab. I
Tab. 1 : Dati peculiari del calcolo
I risultati contenuti nella Tab.l evidenziano che il fluido entra nel sistema ad una temperatura di 20°C, subisce consequenzialmente 6 salti termici incrementali ed esce, dallo stesso sistema, con una temperatura di 107°C.
Inoltre si nota che le prime due fotocellule della serie operano a basse temperature e quindi alla massima efficienza di conversione; la terza fotocellula opera ad una temperatura dì poco superiore ai 70°C e pertanto anch’essa lavora con valori di efficienza pressoché massimi; soltanto le fotocellule 3 e 4 operano con temperature superiori a quelle ottimali e quindi a media-bassa efficienza d, conversione, Di contro la temperatura media di esercizio di tutte le fotocellule componenti il sistema è pari a circa 77°C valore questo di pochissimo superiore a quello limite e quindi comparabile a quella ottimale. Ne consegue che il sistema, nel suo insieme, opera ad altissima efficienza dì conversione solare in quanto consente di sommare il contributo dì energia elettrica, realizzato ad alto rendimento, al contributo di energia termica prodotto con temperature utilizzabili ad uso civile e/o industriale.

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI Ciò che si rivendica con la presente innovazione è di seguito elencato: 1 } Sistema costituito da una serie di n concentratori di energia solare, funzionalmente accoppiati ad altrettanti scambiatori termici a fluido tra loro collegati in serie in modo tale da conferire al fluido stesso salti termici incrementali in corrispondenza di ogni passaggio del fluido negli stessi scambiatori termici; 2) Sistema di raffreddamento di concentratori di energia solare costituito da un numero n di scambiatori di calore tra loro collegati in serie in modo che il fluido di raffreddamento, proveniente dallo scambiatore (i-l)mo (con i=i ,2,..n), entri nello scambiatore immediatamente successivo i-mo ad una temperatura T'B subisca in corrispondenza dello stesso scambiatore i-mo un salto termico incrementale ΔΤ, ed esca ad una temperatura Τ";3⁄4Τ%+ΔΤ|, per poi raggiungere lo scambiatore successivo (i+l)-nto dove, con le stesse modalità, subisce un ulteriore salto termico incrementale ΔΤ;+1. Il processo incrementale si interrompe quando il fluido di raffreddamento raggiunge un livello termico desiderato, compatibile con l’energia termica di sistema; 3) Sistema costituito da una serie di n concentratori di energia solare di tipo fotovolatico/termico. funzionalmente accoppiati ad altrettanti scambiatori termici a fluido tra loro collegati in serie in modo tale da conferire al fluido stesso salti termici incrementali in corrispondenza di ogni passaggio del fluido negli stessi scambiatori termici; 4} Sistema di raffreddamento di concentratori di energia solare di tipo fotovolatico/termico costituito da un numero n di scambiatori di calore tra loro collegati in serie fn modo che il fluido di raffreddamento, proveniente dallo scambiatore (i-l)mo (con i=l,2,..n), entri nello scambiatore immediatamente successivo i-mo ad una temperatura T\ subisca in corrispondenza delio stesso scambiatore i-mo un salto termico incrementale ΔΤ, ed esca ad una temperatura Τ-Τν-ΔΤ,, per poi raggiungere lo scambiatore successivo (i÷l)-mo dove, con le stesse modalità, subisce un ulteriore salto termico incrementale ΔΤ,_ 1. il processo incrementale si interrompe quando il fluido di raffreddamento raggiunge un livello termico desiderato, compatìbile con l’energia termica di sistema; 5) Sistema costituito da una serie di n concentratori di energia solare di cui una parte m è di tipo fotovolatico/termico mentre la restante parte (n-mì, posta a fine serie, è di tipo esclusivamente termico. Tali concentratori sono funzionalmente accoppiati a scambiatori termici a fluido, tra loro collegati in serie in modo tale da conferire al fluido stesso salti termici incrementali in corrispondenza di ogni passaggio del fluido negli stessi scambiatori termici; 6) Sistema di raffreddamento di concentratori di energia solare, di tipo fotovolatico/termico e di tipo esclusivamente termico posti a fine serie, costituito da un numero n di scambiatori di calore tra loro collegati in serie in modo che il fluido di raffreddamento, proveniente dallo scambiatore (i-l )mo, entri nello scambiatore immediatamente successivo imo (i=l,2,..n) ad una temperatura Te,, subisca in corrispondenza dello stesso scambiatore i-mo un salto termico incrementale ΔΤ, ed esca ad una temperatura Tu;=Tue+AT„ per poi raggiungere lo scambiatore successivo (i+l)-mo dove, con le stesse modalità, subisce un ulteriore salto termico incrementale ΔΤ,τ,. 11 processo incrementale si interrompe quando il fluido dì raffreddamento raggiunge un livello termico desiderato, compatibile con l'energia termica di sistema.
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