ITBO20070094A1 - Pannello solare integrato termico-fotovoltaico per la produzione di energia elettrica ed acqua calda - Google Patents
Pannello solare integrato termico-fotovoltaico per la produzione di energia elettrica ed acqua calda Download PDFInfo
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Description
Pannello Solare Integrato Termico-Fotovoltaico per la
produzione di Energia Elettrica ed Acqua Calda
Settore tecnico (classificazione WIPO)
H01 L - Dispositivi a Semiconduttore; dispositivi elettrici a stato solido
31/058 che includono dì utilizzare energia termica, ovvero sistemi ibridi, ovvero sorgenti supplementari di energia termica
Riassunto
Un pannello solare che comprende: (1 ) un sistema per la produzione di energia elettrica. (2) un sistema per la gestione di uno strato d’acqua, idoneo alla produzione di acqua calda e energia elettrica, che consenta una efficienza di produzione dell'energia elettrica, migliore rispetto ai sistemi presenti nello stato dell'arte, e che consenta di ottenere un efficace riscaldamento termico dell'acqua, L'elemento di novazione della presente invenzione industriale risiede nel particolare sistema di gestione dello strato d'acqua che, da un lato, rende particolarmente efficiente il sistema di produzione dell'energia elettrica e dall'altra permette il riscaldamento termico dell'acqua.
Stato dell'arte:
La presente invenzione industriale é relativa ad un pannello solare che consenta la produzione di energia termica e di energia elettrica, in maniera combinata (Thermic Electric Solar Panels Integration, TESPI).
I pannelli solari per la produzione di energia termica sono, generalmente, pannelli dove viene fatta circolare acqua al mero scopo di riscaldarla. Usualmente, contengono sottili tubi di rame dove l'acqua viene fatta scorrere. Questi tubi in rame vengono inglobati in una struttura che prevede, su un lato, uno strato di lana di vetro e, sul lato opposto, una lamina di vetro per lascia penetrare la luce sui tubi in rame. Queste strutture vengono inscatolate in pannelli detti, appunto, pannelli solari grazie all'impiego di scatolati in alluminio e guarnizioni in gomma. I pannelli solari così costruiti presentano, però, una serie di svantaggi. In pratica sono sistemi in cui un fluido (solitamente olio, talvolta acqua) circola in tubicini dì rame e trasferisce calore ad una massa di acqua che viene immagazzinata in un serbatoio ben coibentato. Questo li rende efficienti ma, i costi di mercato sono piuttosto elevati fino a 500 eruo/metro quadro
I sistemi per la produzione di energia elettrica a partire dalia radiazione solare sono, tipicamente, le celle solari fotovoltaiche. Esse sono realizzate con sistemi a semiconduttore e. grazie all'effetto fotoelettrico, sono in grado di produrre energìa elettrica dalia sola ricezione dei raggi solari sulla superficie del materiale semiconduttore. Ogni fotone che colpisce la superfìcie del semiconduttore produce un quanto di corrente. Questo quanto di corrente può essere impiegato per accumulare energia elettrica in un accumulatore che può rilasciare questa energia in un secondo momento. Sebbene questo sia un sistema semplice per produrre energia elettrica da una fonte rinnovabile e, per i tempi umani, praticamente infinita, esso presenta notevoli svantaggi. Il primo e, forse, il maggiore è che l'energia che produce nel ciclo di vita un pannello fotoelettrico non copre il fabbisogno energetico speso per costruirla. Cioè, con l’attuale migliore tecnologia presente nello stato dell'arte, il conteggio dell energia spesa per fabbricarla meno l'energia ricavata dalla cella è negativo. Questo è anche dovuto alla bassa effcienza del pannello che a sua volta è legata al fatto che il pannello assorbe solo una parte dello spettro (tipicamente il visibile cioè un 40% dello spettro solare). Inoltre, quasi tutti i sistemi hanno prestazioni che degradano al crescere della temperatura ma In particolare il silicio perde effcienza e passa da 25 a 70 gradidal 12-15% al 9-12%), Sarebbe, dunque, auspicabile che nuove tecnologie proponessero un miglioramento dell'efficienza di conversione dell'energia solare nei pannelli fotoelettrici.
Un modo proposto dallo stato dell'arte per aumentare l'efficienza dei un pannello fotoelettrico è quello di impiegare aria oppure acqua per abbassare la temperatura delle celle fotovoltaiche. Dunque, lo stato dell'arte presenta una serie di invenzioni che combinano la produzione di energia termica con quella elettrica. Ad esempio, ci sono ben 139 brevetti americani su Celle FotovoitaicheTermiche. Di questi, 16 hanno a che vedere con l'acqua. Molti, però si riferiscono all’impiego di celle solari in impianti tipo solar pond (1) oppure per estrarre acqua dall'aria umida (3). Alcuni brevetti prevedono l’Impiego di uno strato d’acqua o di aria che circondi il sistema fotovoltaico al mero scopo di abbassarne Sa temperatura (3). Esiste anche un recente brevetto del 2002 che riguarda proprio un sistema flessibile per realizzare tetti mediante un prodotto a rotoli che prevede oltre all'impiego di un sistema fotovoltaico per la produzione di energia elettrica anche ia possibilità di scaldare aria oppure acqua per generare calore da dare ad uno scambiatore (4). Questo brevetto prevede un sistema che possa flussare aria sopra al sistema fotovoltaico. Tale sistema è costituito da un ricoprimento dello spessore da 75 μm fino ad 1 mm dove viene fatta scorrere aria. Quest'aria viene impiegata, poi, per riscaldare acqua mediante uno scambiatore. Ne! brevetto viene anche indicata al possibilità di scaldare direttamente l’acqua ma si traila di un generico riferimento che precederebbe, comunque, un veto d'acqua sempre di spessori non più di 1. mm. Alto brevetti riferiscono di sistemi sinodi. Ad esempio propongo architetture leggermente differenti per la gestione del sottile strato d'aria raffreddante (5). oppure sistemi realizzati con materiali ad aita capacità termica, posti sui retro dei sistema fotoelettrico, dove l' aria passa mantenendo così a temperature inferiori la componente fotovoltaica (6). Esistono poi brevetti che prevedono, invece, sistemi ad acqua ma propongo tutti architetture complesse che prevedono più di un fluido e, inoltre, fluidi particolari dotati di particelle magnetiche in sospensione per assicurare la circolazione dei liquidi e lo scambio termico (7) oppure che prevedono dì impiegare l'acqua calda prodotta dall'assorbimento dell'energia solare come sorgente di energia per produrre energia elettrica (8).
Nessuna delle invenzioni presenti nello stato dell'arte, però, presenta particolari architetture tali da ottimizzare il rendimento de! pannello fotovoltaico in relazione alla energia termica prodotta.
La presente invenzione, invece, riguarda proprio una particolare architettura di sistema fotovoltaico/termico integrato con lo scopo di ottimizzare la resa di conversione dell'energia solare in elettrica e termica e di abbattere i costi di produzione di tali energie. In particolare, la presente invenzione sfrutta anche l'infrarosso che viene perso nelle normali celle fotovoltaiche, e abbatte i costi degli attuali pannelli solari, aumentano inoltre l'efficienza delia parte fotovoltaica abbassandone la temperatura, Inoltre, la presente invenzione è peculiare e caratteristica perchè mette il pannello termico in parte o in tutto davanti al fotovoltaico sfruttando le proprietà di ottimo assorbitore infrarosso dell'acqua e propone una architettura ottimizzata per lo sfruttamento di tale componente infrarossa.
Descrizione della invenzione:
In figura 1 si vede lo spettro solare e la curva di assorbimento del silicio monocristallino e del silicio amorfo (in figura 1 si ha (1 ) = potenza irradiata, (2) = lunghezza d'onda in nm; (3) = risposta spettrale), La più bassa efficienza del silicio amorfo è dovuta soprattutto alla impossibilità di convertire in corrente fotoni di lunghezza d'onda, superiore ai 750 nanometri. In figura 2. invece, si vede lo spettro solare al variare dello spessore di acqua attraversato dalla luce (in figura 2 si ha (1) = radiazione di corpo nero, {2) = profondità in metri; (3) = coefficiente di assorbimento). Bastano 5 centimetri d'acqua, per privare completamente lo spettro dell'infrarosso e ridurre la radiazione del 30%, Le due barre nere rappresentano la soglia del fotovoltaico a silicio cristallino e amorfo.
Le due figure evidenziano un fatto che può essere efficacemente sfruttato;
Uno spessore di 5 centimetri di acqua assorbe il 30% della radiazione solare senza alterare la capacità di conversione del silicio amorfo e riducendo di poco l'efficienza del silicio monocristallino e di circa il 15% (dal 15 al 13 %) quella del silicio monocristallino. Quest'ultima riduzione è in parte compensata dalla migliore efficienza che si ha tenendo il silico a temperature relativamente basse.
La presente invenzione è, dunque, relativa alla realizzazione di sistemi ibridi in cui sì accoppia la produzione di calore e di corrente mediante un sistema fotovoltaico schermato da uno strato d'acqua. La presente invenzione propone, dunque, una configurazione che si presta a questo scopo: un pannello solare è realizzato ad hoc con acqua circolante e fotovoltaico integrato. Figura 3 mostra lo schema della presente invenzione: un sistema provvisto con uno strato di acqua spesso 2 cm circa (1) asporta dalla parte di appoggio del pannello parte del calore portando l'acqua ad una temperatura di circa 40 °C. L'acqua viene poi fatta passare davanti in uno strato di 5 cm (2) dove assorbe ancora il 30% della temperatura salendo a 70 °C. Questa ultima parte è separata dalla cella (4) da un sottile strato d'aria (3). Il sistema sarà fornito di un ingresso (6) e di una uscita (5) per far scorrere l'acqua con lo scopo di raffreddare la cella e dì produrre energia termica. Il pannello proposto può avere una efficienza termica pari a circa l'80% di un pannello termico e una efficienza elettrica di poco diversa da un pannello fotovoltaico convenzionale.
Nelle figure 3 e 4 si mostrano, invece, possibili realizzazioni di pannelli fotovoltaici-termici relativi alla presente invenzione, ivi rappresentati in modo non esclusivo ma solamente esemplificativo.
Vantaggi attesi dalla invenzione industriale:
a) fare un collettore termico di basso costo e alta efficienza accoppiato a un pannello fotovoltaico senza ridurre l'efficienza di questo, e in alcuni casi aumentandola. b) Sfruttare per produrre energia termica l'infrarosso prima che arrivi al silicio, dove andrebbe perso
c) Sistema a doppio strato di acqua, sottile sotto il pannello per raffreddarlo e tenerlo introno ai 45 °C, più spesso sul davanti per assorbire l'infrarosso e scaldare l'acqua,
d) Basso costo per la produzione termica, rispetto gli attuali pannelli solari
Riferimenti bibliografici:
(I ) Brevetto americano numero 6,828,499, Apparatus and method for harvesting atmospheric moisture
(2) Brevetto americano numero 6,828,499, Apparatus and method for harvesting atmospheric moisture
(3) Brevetto americano numero 6,489,553, TPV cylindrical generator for home
cogeneration
(4) Brevetto americano numero 6,472 ,593, Hybrid roof covering element
(5) Brevetto americano numero 5,589,006, Solar battery module and passive solar System using same
(6) Brevetto europeo numero EP 0 820 105, Solar cell module and hybrid roof panel using the same
(7) Brevetto americano numero 5,772,792, Solar generator
(8) Brevetto americano numero 4,235,221 , Solar energy System and apparatus
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. un sistema per la produzione di energia elettrica e di energia termica che sia costituito da uno strato di acqua (1); un secondo strato dì acqua (2); un sottile strato d'aria (3); una cella fotovoltaica (4); e dove i due strati d'acqua abbiano il precipuo scopo di raffreddare la cella fotovoltaica e dì produrre energia termica per riscaldamento diretto 2. un sistema come da rivendicazione 1 dove lo strato di acqua (1 ) è uno strato di acqua spesso 2 cm con lo scopo di asportare dalla parte di appoggio parte del calore portando l'acqua ad una temperatura di circa 40 °C. 3. un sistema come da rivendicazione 2 dove il secondo strato di acqua (2) è uno strato di 5 cm che ha lo scopo di assorbire ancora energia termica portando la temperatura dell'acqua a 70 °C. 4. un sistema come da rivendicazione 3 dove l'efficienza della produzione di energia termica raggiunge l'80% dì un pannello termico convenzionate. 5. un sistema come da rivendicazione 4, realizzato in un pannello fotovoltaico-termico provvisto con uno strato di acqua (1) spesso 2 cm circa che asporta dalla parte di appoggio del pannello parte del calore portando l' acqua ad una temperatura di circa 40 °C; provvisto di un secondo strato (2) di 5 cm dove assorbe ancora il 30% della temperatura salendo a 70 °C; provvisto di una comune cella fotovoltaica (4) separata dal secondo strato d'acqua da un sottile strato d’aria (3) 6. un sistema come da rivendicazione 5, dove il pannello proposto può avere una efficienza termica pari a circa l'80% di un pannello termico e una efficienza elettrica di poco diversa da un pannello fotovoltaico convenzionale. 7. un sistema per la produzione di energia elettrica e di energia termica secondo le rivendicazioni da 1 a 6 e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure degli uniti disegni e per gli accennati scopi.
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