ITFI20120108A1 - "pannello ibrido termo-fotovoltaico, relativo impianto e metodo di produzione di energia" - Google Patents

Description

PANNELLO IBRIDO TERMO-FOTOVOLTAICO, RELATIVO IMPIANTO E

METODO DI PRODUZIONE DI ENERGIA

Descrizione

Campo tecnico

L’invenzione riguarda in generale il settore delle energie da fonti rinnovabili e più in particolare lo sfruttamento dell’energia solare. In modo specifico, l’invenzione riguarda perfezionamenti ai pannelli fotovoltaici, per la produzione di energia elettrica dall’energia solare.

Stato della tecnica

La sempre maggiore attenzione ai problemi dell’inquinamento ambientale legato all’utilizzo delle energie tradizionali ha recentemente portato ad una massiccia diffusione dei pannelli solari, sia di tipo fotovoltaico, sia termico. I pannelli fotovoltaici contengono celle fotovoltaiche che trasformano l’energia solare direttamente in energia elettrica, la quale viene poi condizionata da appositi circuiti (inverter) per essere utilizzata da utenze collegate all’inverter oppure immessa in una rete elettrica di distribuzione.

L’efficienza e la sicurezza dei pannelli fotovoltaici divengono sempre più importanti con la diffusione capillare di questi dispositivi.

Solo una parte dell’energia solare che investe i pannelli fotovoltaici viene trasformata in energia elettrica, in quanto la maggior parte della radiazione solare incidente à ̈ composta da lunghezze d’onda non convertibili dalle attuali celle fotovoltaiche in energia elettrica. I materiali attualmente usati, infatti, sono in grado di convertire in energia elettrica l’energia radiante soprattutto nella gamma del verde e giallo, e limitatamente nella gamma del blu.

Le attuali celle fotovoltaiche hanno una resa di circa 12-18%. Una percentuale superiore al 20% dell’energia incidente sul pannello fotovoltaico provoca un aumento di temperatura del pannello stesso. Il riscaldamento del pannello durante il funzionamento provoca una riduzione delle caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche. Tipicamente si ha una riduzione di circa 0,4% del rendimento della cella fotovoltaica per ogni grado di incremento della temperatura della cella stessa.

Nel tentativo di alleviare questi problemi, e di sfruttare la parte termica dell’energia radiante, non convertibile in energia elettrica dalle celle fotovoltaiche, sono stati realizzati anche pannelli ibridi, in cui sul retro del pannello fotovoltaico vero e proprio à ̈ disposto un circuito di refrigerazione, in cui circola un fluido termovettore. Il fluido termovettore estrae calore dal pannello fotovoltaico, raffreddandolo. Il calore estratto viene usato ad esempio per produrre acqua calda. Esempi di pannelli ibridi di questo tipo sono descritti in EP-A-2.262.004; EP-A-2.012.366 ed EP-A-1.873.843. Il circuito di raffreddamento à ̈ costituito da serpentine in contatto termico con il retro del pannello fotovoltaico. L’efficienza di raffreddamento à ̈ limitata.

Dal punto di vista della sicurezza elettrica, i pannelli fotovoltaici sono generatori di corrente con tensione piuttosto elevata dai 250 Vdc ai 650Vdc. Questo implica che in caso di innesco di un arco elettrico dovuto a guasti del pannello, ad errori di assemblaggio od a cause accidentali, non esiste alcuna possibilità di interrompere l’arco elettrico se non bloccando l’esposizione alla luce solare.

Sommario dell’invenzione

Secondo un aspetto, l’invenzione riguarda un pannello fotovoltaico perfezionato, che risolve in tutto od in parte almeno uno degli inconvenienti dei pannelli fotovoltaici ibridi noti. Secondo un altro aspetto, l’invenzione riguarda un impianto utilizzante un pannello fotovoltaico, ed un metodo di produzione di energia.

Sostanzialmente, l’invenzione prevede un impianto fotovoltaico comprendente:

− almeno un pannello fotovoltaico, con un vano di alloggiamento, al cui interno sono alloggiate celle fotovoltaiche per la conversione di energia solare in energia elettrica, detto vano di alloggiamento avendo una parete trasparente alla radiazione solare;

− un circuito elettrico per estrarre energia elettrica prodotta da detto almeno un pannello fotovoltaico;

− un circuito di estrazione di calore da detto almeno un pannello fotovoltaico, in cui circola un fluido termovettore, ed in particolare un liquido termovettore, che rimuove calore da detto almeno un pannello fotovoltaico.

Il liquido termovettore circola all’interno del vano di alloggiamento, in contatto con le celle fotovoltaiche. In pratica, il fluido termovettore può così circolare fra la parete trasparente dell’alloggiamento e le celle fotovoltaiche poste dietro a tale parete, nonché eventualmente intorno alle celle stesse. La radiazione solare incidente sulla parete trasparente attraversa il fluido termovettore e raggiunge le celle fotovoltaiche.

Contrariamente a quanto accade negli impianti ibridi termo-fotovoltaici tradizionali, quindi, il calore non viene estratto dal retro delle celle fotovoltaiche attraverso una parete tergale di chiusura del pannello fotovoltaico, bensì tramite contatto diretto del liquido termovettore con la superficie anteriore delle celle fotovoltaiche contenute nel pannello.

Questo consente di ottenere notevoli vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali. In primo luogo il raffreddamento diretto, per convezione, delle celle fotovoltaiche consente di ottenere un’efficienza di raffreddamento molto più elevata e quindi una temperatura di esercizio delle celle fotovoltaiche più bassa rispetto ai sistemi ibridi tradizionali. Come si à ̈ osservato in precedenza, infatti, il rendimento della cella fotovoltaica cala con l’aumentare della temperatura di esercizio. Mantenere la temperatura di esercizio ad un valore più basso consente di incrementare il rendimento elettrico del pannello. Inoltre, uno scambio termico più efficiente aumenta anche il rendimento termico dell’impianto, in quanto à ̈ possibile estrarre più calore ed a temperatura più alta dal pannello, con evidenti vantaggi energetici.

Inoltre, con una scelta opportuna del fluido termovettore, si può incrementare la sicurezza elettrica del pannello. Infatti, scegliendo un fluido termovettore di adeguate caratteristiche isolanti, in cui si trovano immerse le celle fotovoltaiche, fa sì che la produzione di energia elettrica avvenga in assenza di aria e questo sopprime la possibilità di innesco di archi elettrici, con conseguente incremento della sicurezza di esercizio dell’impianto fotovoltaico. E’ anche possibile inserire un relà ̈ od altro organo sezionatore, per aprire il circuito elettrico del pannello fotovoltaico in caso di guasto o per qualsivoglia altra necessità. Disponendo l’organo sezionatore nel liquido termovettore isolante, si evita il rischio di innesco di archi elettrici in fase di apertura.

Vantaggiosamente il pannello fotovoltaico à ̈ un pannello piano.

Allo scopo di ottenere un isolamento efficace, il fluido termovettore ha una costante dielettrica elevata. In generale, secondo vantaggiose forme di realizzazione, il fluido termovettore ha una costante dielettrica superiore a 5 MOhm/mm, preferibilmente superiore a 10 MOhm/mm, più preferibilmente superiore a 15 MOhm/mm ed ancora più preferibilmente pari o superiore a 20 MOhm/mm.

Poiché il fluido termovettore viene attraversato dalla radiazione solare che deve raggiungere le celle fotovoltaiche del pannello, la scelta del fluido termovettore sarà effettuata in modo da tener conto delle caratteristiche delle celle fotovoltaiche impiegate ed in particolare degli intervalli di lunghezza d’onda utili per la conversione in energia elettrica. I materiali utilizzati attualmente per la produzione di celle fotovoltaiche di commercio utilizzano prevalentemente le lunghezze d’onda nel verde e giallo e limitatamente nel blu. Tuttavia, la tecnologia delle celle fotovoltaiche à ̈ in rapida evoluzione e sono allo studio celle fotovoltaiche capaci di sfruttare lunghezze d’onda in intervalli più estesi. La scelta del liquido termovettore, quindi, sarà opportunamente effettuata in modo che esso sia il più possibile trasparente alle lunghezze d’onda utili per la conversione in energia elettrica tramite le specifiche celle fotovoltaiche presenti nel pannello.

Vantaggiosamente, il fluido termovettore à ̈ sostanzialmente trasparente alla radiazione solare nell’intervallo utile per la conversione in energia elettrica. Per “sostanzialmente trasparente†si intende che la percentuale di energia assorbita nell’intervallo di lunghezze d’onda utile à ̈ preferibilmente pari o inferiore al 30% e preferibilmente pari o inferiore al 20%, ad esempio pari o inferiore al 15% della radiazione incidente per lo spessore di massa liquida presente nel pannello. In generale la quantità di energia utile assorbita dal fluido termovettore sarà tanto maggiore quanto maggiore à ̈ la distanza tra la lastra trasparente frontale del pannello fotovoltaico e la superficie delle celle fotovoltaiche. Pertanto, una minore efficienza del fluido termovettore, intesa come maggiore perdita per effetto dell’assorbimento, può essere almeno in parte compensata da una riduzione dello spessore di fluido termovettore attraversato dalla radiazione solare.

La scelta del fluido termovettore sarà vantaggiosamente effettuata in modo da consentire un corretto funzionamento dell’impianto in varie condizioni climatiche. In particolare, il fluido termovettore deve rimanere allo stato liquido preferibilmente per qualunque temperatura di esercizio. Questa dipende dalle condizioni climatiche e quindi in linea generale la scelta del fluido termovettore può essere effettata anche in base alla zona in cui l’impianto viene realizzato.

In vantaggiose forme di realizzazione il fluido termovettore ha una temperatura di ebollizione preferibilmente a 150°C, o meglio superiore a 250°C ed ancora più preferibilmente almeno pari a, o superiore a 300°C. Inoltre, vantaggiosamente il flui do termovettore ha una temperatura di congelamento inferiore a -20°C e preferibilmente inferiore a -25°C ed ancora più preferibilmente à ̈ pari od inferiore a - 30°C. I valori sopra indicati sono riferiti alla pressione di esercizio del fluido termovettore, che à ̈ circa pari alla pressione ambiente.

Secondo una forma di realizzazione perfezionata dell’impianto qui descritto, il fluido termovettore ha un indice di rifrazione elevato, preferibilmente superiore a 1,3, più preferibilmente superiore a 1,4 ed ancora più preferibilmente pari o superiore a 1,5. In questo modo si ottiene un incremento dell’efficienza del pannello fotovoltaico. Infatti, l’indice di rifrazione del liquido termovettore non ha influenza sulla radiazione incidente a 90° sulla parete frontale trasparente del pannello fotovoltaico. Viceversa, la percentuale utile di radiazione incidente aumenta, per effetto dell’indice di rifrazione, quando l’angolo di incidenza à ̈ diverso da 90°. Infatti, l’effetto di rifrazione del liquido termovettore devia i raggi solari incidenti rendendo l’angolo di incidenza sulle celle fotovoltaiche più vicino a quello ottimale.

In linea di principio, il fluido termovettore circolante nel pannello fotovoltaico in contatto con le celle fotovoltaiche di quest’ultimo può essere usato per convogliare direttamente il calore estratto dal pannello verso un’utenza, ad esempio un boiler. Tuttavia, per limitare la quantità di liquido termovettore circolante al di fuori del pannello, secondo vantaggiose forme di realizzazione il circuito di estrazione del calore dal pannello fotovoltaico comprende un primo scambiatore di calore in cui il fluido termovettore trasferisce calore ad un fluido termovettore ausiliario, circolante in un circuito di trasferimento del calore ricevuto dal primo scambiatore di calore ad un’utenza. Il fluido termovettore ausiliario può essere semplicemente acqua. In questo modo viene ridotta la quantità di fluido termovettore circolante nel o nei pannelli fotovoltaici dell’impianto, il quale fluido può presentare un costo elevato e/o altre caratteristiche che ne consigliano un impiego in modeste quantità. Inoltre, come risulterà chiaro da quanto di seguito illustrato, una disposizione di questo tipo consente di aggiungere all’impianto anche uno scambiatore ausiliario che dissipa calore estratto dal pannello fotovoltaico verso l’esterno quando l’utenza non à ̈ in grado di assorbire tutta l’energia termica estratta dal pannello fotovoltaico o dal campo di pannelli fotovoltaici.

L’utenza cui à ̈ trasferito il calore estratto dal o dai pannelli fotovoltaici dell’impianto può comprendere un boiler, cioà ̈ una caldaia per la produzione di acqua calda sanitaria e/o per riscaldamento.

In alcune forme di realizzazione dell’impianto, infatti, il circuito di estrazione di calore dal o dai pannelli fotovoltaici può comprendere un secondo scambiatore di calore disposto e configurato per scaricare calore dal fluido termovettore ad un generico pozzo di calore, ad esempio all’aria ambiente, oppure ad una massa liquida o solida capace di assorbire calore, quale ad esempio uno specchio d’acqua od un corso d’acqua. In questo modo si garantisce la refrigerazione dei pannelli anche in caso di guasto agli impianti termici cui viene trasferito normalmente il calore estratto dai pannelli, od in generale quando tale trasferimento non à ̈ possibile. In questo caso il calore viene semplicemente dissipato nell’ambiente mantenendo sotto controllo la temperatura dei pannelli.

In alcune forme di realizzazione l’impianto può comprendere un sistema di accumulo di energia termica, disposto e configurato per accumulare temporaneamente energia termica estratta dal o dai pannelli fotovoltaici e cedere energia termica temporaneamente accumulata in modo differito nel tempo. Ad esempio possono essere previsti accumulatori di calore a sali minerali. Questo consente di accumulare elevate quantità di energia termica nelle ore diurne, quando i pannelli fotovoltaici si riscaldano, e di utilizzare l’energia termica accumulata, ad esempio per la produzione differita di acqua calda sanitaria o per riscaldamento, nelle ore serali, notturne e nelle prime ore del giorno, quando i pannelli producono poca energia termica.

L’energia solare incidente sul o sui pannelli fotovoltaici varia in modo consistente sia durante l’arco della giornata, sia per effetto dell’alternanza delle stagioni, nonché in conseguenza delle condizioni atmosferiche (maggiore o minore nuvolosità). Si possono quindi verificare situazioni in cui l’energia termica estratta dal o dai pannelli dell’impianto non à ̈ sufficiente a soddisfare la richiesta di potenza termica dell’utenza, ad esempio una caldaia per la produzione di acqua calda sanitaria. Per ovviare a questo inconveniente, può essere prevista una resistenza termica supplementare, che supplisce alla ridotta produzione di energia termica dalla radiazione solare. In altre e preferite forme di realizzazione, l’impianto comprende una pompa di calore, disposta e configurata per riscaldare il fluido termovettore circolante nei pannelli fotovoltaici, oppure il fluido termovettore ausiliario, innalzandone la temperatura al di sopra di quella raggiungibile per effetto dello scambio termico con il od i pannelli fotovoltaici.

Forma oggetto della presente invenzione anche un pannello fotovoltaico per un impianto del tipo sopra descritto. Un pannello fotovoltaico secondo l’invenzione comprende un vano di alloggiamento, con una parete trasparente alla radiazione solare ed una contrapposta parete di chiusura, tra le quali sono alloggiate celle fotovoltaiche per la trasformazione di energia solare in energia elettrica, ed in cui all’interno del vano di alloggiamento à ̈ formato un circuito di estrazione di calore generato nel pannello fotovoltaico durante l’esercizio, nel quale circuito circola un fluido termovettore in contatto con le celle fotovoltaiche. In sostanza, il pannello fotovoltaico ha un ingresso ed un’uscita per il fluido termovettore, in collegamento di flusso con il volume interno del pannello in cui sono alloggiate le celle fotovoltaiche. Tale volume à ̈ in pratica delimitato superiormente dalla parete trasparente alla radiazione solare, attraverso cui la radiazione solare raggiunge le celle fotovoltaiche, in modo che il fluido termovettore si interpone e circola tra la parete trasparente e le celle fotovoltaiche. Vantaggiosamente, in alcune forme di realizzazione tra la parete trasparente e la parete tergale del pannello fotovoltaico possono essere previsti setti divisori che definiscono canali di flusso del fluido termovettore tra la parete frontale trasparente e la parete tergale del pannello fotovoltaico. I setti divisori possono svilupparsi tra file adiacenti e parallele di celle fotovoltaiche. In questo modo si evita la formazione di percorsi preferenziali, a minore caduta di pressione, all’interno del pannello fotovoltaico, che potrebbero portare ad una rimozione non uniforme di calore dall’interno del pannello fotovoltaico. Ad esempio i setti divisori possono svilupparsi secondo la direzione parallela al lato maggiore del pannello fotovoltaico, preferibilmente in una direzione corrispondente alla direzione secondo cui viene inclinato il pannello una volta installato nella posizione di funzionamento.

Secondo un ulteriore aspetto, viene previsto un metodo per la produzione di energia da una fonte rinnovabile, comprendente le fasi di:

− disporre almeno un pannello fotovoltaico con un vano di alloggiamento in cui sono alloggiate celle fotovoltaiche, che ricevono energia solare radiante e la convertono in energia elettrica;

− circolare un fluido termovettore attraverso detto vano di alloggiamento in contatto con dette celle fotovoltaiche;

− rimuovere calore dalle celle fotovoltaiche tramite detto fluido termovettore;

− convogliare il calore verso un’utenza od un sistema di accumulo. In sostanza, il calore viene estratto per effetto di convezione, preferibilmente convezione forzata, tramite una pompa di circolazione del fluido termovettore, con un contatto diretto del fluido termovettore con le celle fotovoltaiche, facendo circolare il fluido termovettore tra le celle e la parete trasparente del o dei pannelli fotovoltaici.

In vantaggiose forme di realizzazione, il metodo comprende la fase di trasferire il calore estratto da detto almeno un pannello fotovoltaico tramite detto fluido termovettore ad un fluido termovettore ausiliario, circolante in un circuito di trasferimento del calore ricevuto ad un’utenza.

In forme di realizzazione vantaggiose dell’invenzione, la temperatura all’interno del pannello fotovoltaico à ̈ mantenuta entro i 100°C, ad esempio inferiore a 90°C, tipicamente pari a 80°C o meno.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche e forme di realizzazione dell’invenzione sono illustrate nel seguito con riferimento ad esempi di esecuzione e definite nelle allegate rivendicazioni, che formano parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà meglio compresa seguendo la descrizione e gli uniti disegni, i quali mostrano pratiche forme di realizzazione non limitative dell’invenzione. Più in particolare, nel disegno mostrano:

la Fig.1 una vista frontale di un pannello fotovoltaico;

la Fig.2 una sezione secondo II-II di Fig.1;

la Fig.3 uno schema di un impianto comprendente una pluralità di pannelli fotovoltaici del tipo illustrato nelle Figg. 1 e 2;

la Fig.4 uno schema di una seconda forma di realizzazione di un impianto comprendente una pluralità di pannelli fotovoltaici del tipo illustrato nelle Figg. 1 e 2.

Descrizione dettagliata di una forma di realizzazione

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano gli elementi uguali o simili. Inoltre i disegni non sono necessariamente in scala. La descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione à ̈ definito dalle rivendicazioni accluse.

Il riferimento nella descrizione a “una forma di realizzazione†o “la forma di realizzazione†o “alcune forme di realizzazione†significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione à ̈ compreso in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione†o “nella forma di realizzazione†o “in alcune forme di realizzazione†in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

Con iniziale riferimento alle Figg. 1 e 2, in una possibile forma di realizzazione, viene previsto un pannello fotovoltaico complessivamente indicato con 1. Il pannello fotovoltaico 1 comprende un alloggiamento 2 definito tra una parete frontale 3, trasparente alla radiazione solare, ed una parete tergale 5. L’alloggiamento à ̈ delimitato lateralmente da pareti laterali o di bordo 7. All’interno dell’alloggiamento 2 sono disposte celle fotovoltaiche 9. Queste celle fotovoltaiche 9 possono essere realizzate in modo di per sé noto e non verranno descritte in maggiore dettaglio in questa sede. In vantaggiose forme di realizzazione, le celle fotovoltaiche sono tra loro distanziate e formano una griglia vuota tra di esse, come mostrato nelle Figg.1 e 2. Preferibilmente, il fluido termovettore può circolare in un volume previsto tra le celle fotovoltaiche 9 e la parete frontale trasparente 2, ed anche in un volume previsto sui fianchi o lati delle celle fotovoltaiche.

In alcune forme di realizzazione, il volume interno dell’alloggiamento 2 può essere suddiviso in una pluralità di canali tra loro paralleli da setti divisori interni 11. In ciascun canale può essere disposta una fila di celle fotovoltaiche 9. Questo favorisce il flusso uniforme del fluido termovettore all’interno del volume libero di flusso definito tra la parete frontale trasparente 3 e la parete tergale 5, in cui le celle fotovoltaiche possono essere disposte secondo una disposizione a matrice. In forme di realizzazione particolarmente vantaggiose, tra ciascun setto divisore interno 11 e le celle fotovoltaiche 9 adiacenti al setto à ̈ disponibile (su entrambi i lati del setto divisore interno 11) un volume di circolazione o di flusso del fluido termovettore.

In corrispondenza di due lati contrapposti del pannello fotovoltaico 1, nell’esempio illustrato i due lati minori, sono previsti due collettori, rispettivamente di ingresso e di uscita, per un liquido termovettore che circola all’interno dell’alloggiamento 2. In Fig.1 con 13 à ̈ indicato il collettore di ingresso e con 15 à ̈ indicato il collettore di uscita. I collettori 13 e 15 possono essere configurati in modo opportuno per generare un flusso di liquido termovettore sostanzialmente uguale in ciascuno dei canali in cui i setti divisori interni 11 dividono il volume dell’alloggiamento 2.

Con la struttura sin qui descritta, nel pannello fotovoltaico 1 può essere fatto circolare il fluido termovettore avente la funzione di rimuovere calore dal pannello e mantenere a bassa temperatura di esercizio le celle fotovoltaiche 9. Il fluido termovettore circola fra la parete frontale trasparente 3 e la parete tergale 5 ed in contatto diretto con le celle fotovoltaiche 9. In questo modo viene garantito un raffreddamento efficace delle celle fotovoltaiche 9. Come sopra indicato, il fluido termovettore avrà vantaggiosamente caratteristiche dielettriche (isolanti) e ottiche (trasparenza e indice di rifrazione) scelte in modo da ottimizzare il funzionamento del pannello. In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa il fluido termovettore può essere olio di vaselina. Le proprietà dielettriche del liquido termovettore impediscono la generazione di archi elettrici all’interno del pannello 1. Le proprietà ottiche consentono alla radiazione solare di raggiungere sostanzialmente senza perdite rilevanti le celle fotovoltaiche 9 e migliorano l’angolo di incidenza della radiazione quando questa raggiunge la superficie della parete trasparente frontale 3 con un angolo diverso da 90°

La Fig.3 mostra un impianto che impiega una pluralità di pannelli fotovoltaici 1, disposti ad esempio sul tetto di un edificio, quale un’abitazione od un edificio industriale o commerciale. I pannelli fotovoltaici 1 sono collegati tra loro per formare, in modo di per sé noto, un campo di pannelli fotovoltaici, complessivamente indicato con 21. Il campo 21 di pannelli fotovoltaici à ̈ collegato a sua volta ad un circuito elettrico 22 per estrarre energia elettrica prodotta dai pannelli 1. Nell’esempio illustrato, il circuito elettrico 22 comprende un inverter 23. L’energia elettrica prodotta dal campo 21 di pannelli fotovoltaici 1 viene convertita da corrente continua in corrente alternata, alla tensione ed alla frequenza della rete di distribuzione elettrica, schematicamente indicata con R. L’energia elettrica convertita dall’inverter 23 può essere iniettata nella rete di distribuzione elettrica R e/o utilizzata per alimentare direttamente uno o più carichi locali, non mostrati.

I pannelli fotovoltaici 1 del campo 21 sono inoltre collegati idraulicamente ad un circuito idraulico di estrazione di calore dai pannelli fotovoltaici 1, complessivamente indicato con 25. Il circuito di estrazione del calore 25 comprende un primo condotto 27 che collega i collettori di uscita 15 dei vari pannelli fotovoltaici 1 ed un secondo condotto 29 che collega i collettori di ingresso 13 dei pannelli fotovoltaici 1. I due condotti 27 e 29 sono tra loro uniti da una linea di circolazione del fluido termovettore, indicata con 30. Sulla linea 30 sono disposti un primo scambiatore di calore 31 ed una pompa di ricircolo 33. Lo scambiatore di calore 31 serve a trasferire calore dal circuito di estrazione del calore 25 ad un circuito di trasferimento del calore, descritto più avanti. L’impianto prevede, inoltre, un secondo scambiatore di calore 35 in aria, tramite il quale il fluido termovettore può scambiare calore con l’ambiente esterno. Una valvola a tre vie 37 consente di far circolare il fluido termovettore dal condotto 27 direttamente alla linea 30 e quindi nel primo scambiatore di calore 31, oppure di farlo passare dal condotto 27 prima attraverso il secondo scambiatore 35 e poi nella linea 30. In altre forme di realizzazione il secondo scambiatore di calore 35 può essere disposto e realizzato per scaricare calore ad un diverso pozzo di calore, dove per pozzo di calore si intende genericamente un sistema capace di assorbire calore sostanzialmente senza aumento apprezzabile di temperatura. Un pozzo di calore può essere ad esempio uno specchio d’acqua od un corso d’acqua.

Nel primo scambiatore di calore 31 il calore estratto per mezzo del fluido termovettore dai pannelli fotovoltaici 1 viene trasferito ad un circuito di trasferimento del calore, complessivamente indicato con 41. Una pompa 43 serve a far circolare un fluido termovettore ausiliario nel circuito di trasferimento del calore 41. In alcune forme di realizzazione, il calore trasferito dal fluido termovettore del circuito di estrazione del calore 25 al fluido termovettore ausiliario del circuito di trasferimento del calore 41 viene utilizzato per riscaldare, tramite una serpentina 45, acqua contenuta in una caldaia o boiler 47. L’acqua calda prodotta dal boiler 47 può essere usata come acqua sanitaria alimentata ad uno o più servizi schematicamente indicati con 49. In alternativa od in combinazione, l’acqua calda può essere usata per il condizionamento ambientale, ad esempio tramite radiatori.

Nella forma di realizzazione illustrata in Fig.3, al circuito di trasferimento del calore 41 à ̈ associata una pompa di calore 51 alimentata elettricamente da una linea 53. La pompa di calore 51 viene utilizzata per riscaldare l’acqua nella caldaia 47 quando il calore proveniente dal circuito di estrazione del calore 25 à ̈ insufficiente.

Con 55 à ̈ indicato un vaso di espansione posto su una linea 56 di alimentazione di acqua fredda al boiler 47. L’acqua fredda può provenire da una rete idrica, eventualmente con l’ausilio di un autoclave, qui schematicamente rappresentato come una pompa 57.

Il circuito di estrazione del calore 25 comprende, inoltre, un vaso di espansione 59 ed un pressostato 61. Quest’ultimo à ̈ disposto per aprire un interruttore di emergenza 63 in caso di guasto, per disattivare l’impianto fotovoltaico.

In condizioni di normale funzionamento diurno, l’impianto fotovoltaico opera come segue. La luce solare captata dal campo 21 di pannelli fotovoltaici 1 viene parzialmente trasformata in energia elettrica che, opportunamente convertita in tensione alternata alla frequenza di rete, viene alimentata alla rete elettrica R e/o usata per alimentare uno o più carichi locali. Il calore generato nei pannelli fotovoltaici 1 viene estratto tramite il fluido termovettore circolante nel circuito di estrazione del calore 25 e trasferito, tramite lo scambiatore 31, al circuito di trasferimento del calore 41, per generare acqua calda nella caldaia 47.

Se per qualsiasi ragione il fluido termovettore circolante nel circuito di estrazione del calore 25 raggiunge temperature troppo elevate, ad esempio perché il circuito di trasferimento del calore 41 non funziona, oppure perché la caldaia 47 ha raggiunto la temperatura massima, la valvola a tre vie 37 può essere commutata per far circolare il fluido termovettore attraverso il secondo scambiatore di calore 35 e dissipare calore all’ambiente, mantenendo sotto controllo la temperatura dei pannelli fotovoltaici 1.

In caso di sovrappressione del circuito di estrazione del calore 25, l’impianto viene disattivato tramite apertura dell’interruttore 63.

Se la potenza termica generata dall’impianto solare à ̈ insufficiente, può essere attivata la pompa di calore 51 che integra la potenza termica disponibile riscaldando l’acqua nella caldaia 47 alla temperatura desiderata.

In Fig.4 à ̈ mostrata una variante di realizzazione dell’impianto che impiega i pannelli fotovoltaici secondo l’invenzione. Numeri uguali indicano parti uguali od equivalenti a quelle della Fig.3. Il circuito elettrico 22 à ̈ stato indicato in modo semplificato e la pompa di calore 51 à ̈ stata omessa, ma potrebbe essere prevista anche in questa configurazione. Con 35 à ̈ indicato lo scambiatore di calore aria/fluido termovettore, che consente di scaricare all’ambiente esterno calore in eccesso rispetto a quello trasferibile al circuito di trasferimento del calore 41.

Nello scambiatore di calore 31 il calore estratto dal fluido termovettore che circola nei pannelli fotovoltaici 1 formanti il campo 21 di pannelli fotovoltaici viene trasferito al fluido termovettore ausiliario che circola nel circuito di trasferimento del calore 41 e da questo viene trasferito ad un’utenza, ad esempio ad una caldaia 47 tramite la serpentina 45. In questa forma di realizzazione, all’uscita dalla serpentina 45 il fluido termovettore ausiliario può essere rimandato tramite la pompa di ricircolo 43 verso lo scambiatore di calore 31, direttamente oppure passando attraverso un dispositivo accumulatore di energia termica, schematicamente indicato con 71. Una valvola 73 a tre vie può essere prevista per convogliare il fluido termovettore ausiliario alternativamente attraverso l’accumulatore di energia termica 71 e poi alla pompa di ricircolo 43, oppure direttamente alla pompa di ricircolo 43. Se la temperatura dell’acqua nella caldaia 47 à ̈ superiore alla temperatura nel dispositivo accumulatore di energia termica 71 può essere opportuno recuperare una parte dell’energia termica accumulandola in tale accumulatore 71, così da ottenere una temperatura inferiore anche nel fluido termovettore che refrigera i pannelli fotovoltaici.

Se la temperatura della caldaia 47 à ̈ molto elevata e pari o superiore alla temperatura temporaneamente raggiunta dal fluido termovettore ausiliario circolante nel circuito di trasferimento del calore 41, tramite una valvola a tre vie 75 à ̈ possibile deviare tutto il flusso di fluido termovettore ausiliario in uscita dallo scambiatore di calore 31 direttamente nel dispositivo di accumulo di energia termica 71.Questo può accadere, ad esempio, nel caso in cui durante l’arco della giornata ad una fase di intenso soleggiamento segue una fase di soleggiamento più moderato, ad esempio a causa del transito di nubi.

Durante le ore notturne o comunque quando la temperatura dei pannelli fotovoltaici 1 à ̈ ridotta, ad esempio a causa di un scarso soleggiamento, energia termica eventualmente accumulata in precedenza nel dispositivo accumulatore di energia termica 71 può essere recuperata tramite un circuito 77 con una pompa di ricircolo 78 ed una serpentina 79. Il calore recuperato viene in questo caso utilizzato per riscaldare l’acqua della caldaia 47.

Gli impianti illustrati nelle Figg. 3 e 4 sono solo due esempi di possibili impianti di sfruttamento dell’energia termica ed elettrica generata dai pannelli fotovoltaici ibridi secondo l’invenzione. Si possono naturalmente realizzare impianti diversi ed anche molto più complessi per uno sfruttamento ottimale dell’energia prodotta, non solo per il riscaldamento di acqua sanitaria, ma anche ad esempio per il condizionamento (raffreddamento o riscaldamento) ambientale o per altri scopi. Si possono anche utilizzare scambiatori ausiliari per ridurre ulteriormente la temperatura del fluido termovettore circolante nel circuito di estrazione del calore 25. Ad esempio in serie allo scambiatore 31 può essere previsto un ulteriore scambiatore in collegamento termico con un pozzo di calore, quale ad esempio un bacino di acqua, di superficie o sotterranea, al fine di disperdere calore ad una temperatura inferiore a quella utilizzabile proficuamente nell’impianto, in modo tale da abbassare ulteriormente la temperatura di esercizio dei pannelli fotovoltaici 1 ed aumentarne il rendimento.

Le forme di realizzazione qui sopra descritte ed illustrate nei disegni sono state discusse in dettaglio come esempi di attuazione dell’invenzione. Gli esperti del ramo comprenderanno che sono possibili molte modifiche, varianti, aggiunte ed omissioni, senza discostarsi dai principi, dai concetti e dagli insegnamenti della presente invenzione così come definita nelle allegate rivendicazioni. Pertanto l’ambito dell’invenzione deve essere determinato unicamente sulla scorta della più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, comprendendo in esso tali modifiche, varianti, aggiunte ed omissioni. I termini “comprendere†e suoi derivati non escludono la presenza di ulteriori elementi o fasi oltre a quelli specificamente indicati in una determinata rivendicazione. Il termine “un†o “una†che precede un elemento, mezzo o caratteristica di una rivendicazione non esclude la presenza di una pluralità di tali elementi, mezzi o caratteristiche. Quando una rivendicazione di dispositivo elenca una pluralità di “mezzi†, alcuni o tutti tali “mezzi†possono essere attuati da un unico componente, organo o struttura. L’enunciazione di determinati elementi, caratteristiche o mezzi in rivendicazioni dipendenti distinte non esclude la possibilità di combinare tra loro detti elementi, caratteristiche o mezzi. Quando una rivendicazione di metodo elenca una sequenza di fasi, la sequenza in cui tali fasi sono elencate non à ̈ vincolante, e può essere modificata, se la particolare sequenza non viene indicata come vincolante. L'eventuale presenza di numeri di riferimento nelle rivendicazioni accluse ha lo scopo di facilitare la lettura delle rivendicazioni con riferimento alla descrizione ed al disegno, e non limita l'ambito della protezione rappresentata dalle rivendicazioni.

Claims (23)

1. PANNELLO IBRIDO TERMO-FOTOVOLTAICO, RELATIVO IMPIANTO E METODO DI PRODUZIONE DI ENERGIA Rivendicazioni 1. Un impianto fotovoltaico comprendente: − almeno un pannello fotovoltaico, con un vano di alloggiamento, al cui interno sono alloggiate celle fotovoltaiche per la conversione di energia solare in energia elettrica, detto vano di alloggiamento avendo una parete trasparente alla radiazione solare; − un circuito elettrico per estrarre energia elettrica prodotta da detto almeno un pannello fotovoltaico; − un circuito di estrazione di calore da detto almeno un pannello fotovoltaico, in cui circola un fluido termovettore che rimuove calore da detto almeno un pannello fotovoltaico; caratterizzato dal fatto che detto fluido termovettore circola all’interno di detto vano di alloggiamento, in contatto con dette celle fotovoltaiche.
2. 2. Impianto come da rivendicazione 1, in cui detto fluido termovettore circola fra la parete trasparente dell’alloggiamento e le celle fotovoltaiche, la radiazione solare attraversando detto fluido termovettore.
3. 3. Impianto come da rivendicazione 1 o 2, in cui detto fluido termovettore ha una costante dielettrica superiore a 5 MOhm/mm, preferibilmente superiore a 10 MOhm/mm, più preferibilmente superiore a 15 MOhm/mm ed ancora più preferibilmente pari o superiore a 20 MOhm/mm.
4. 4. Impianto come da rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui detto fluido termovettore à ̈ sostanzialmente trasparente alla radiazione solare.
5. 5. Impianto come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto fluido termovettore ha una temperatura di ebollizione superiore a 150°C, preferibilmente superiore a 250°C ed ancora più preferibilmente pari o superiore a 300°C.
6. 6. Impianto come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto fluido termovettore ha una temperatura di congelamento inferiore a -20°C e preferibilmente inferiore a -25°C ed ancora più preferibilmente à ̈ pari od inferiore a -30°C.
7. 7. Impianto come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto fluido termovettore ha un indice di rifrazione superiore a 1,3, preferibilmente superiore a 1,4 ed ancora più preferibilmente pari o superiore a 1,5.
8. 8. Impianto come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di estrazione di calore comprende un primo scambiatore di calore in cui detto fluido termovettore trasferisce calore ad un fluido termovettore ausiliario, circolante in un circuito di trasferimento del calore ricevuto da detto primo scambiatore di calore ad un’utenza.
9. 9. Impianto come da rivendicazione 8, in cui detta utenza comprende una caldaia per la produzione di acqua calda.
10. 10. Impianto come da una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di estrazione di calore comprende un secondo scambiatore di calore disposto e configurato per scaricare calore dal fluido termovettore ad un pozzo di calore.
11. 11. Impianto come da rivendicazione 10, comprendente una valvola controllata per far circolare detto fluido termovettore alternativamente in detto primo scambiatore di calore o in detto secondo scambiatore di calore.
12. 12. Impianto come da una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sistema di accumulo di energia termica, disposto e configurato per accumulare temporaneamente energia termica estratta da detto almeno un pannello fotovoltaico e cedere energia termica temporaneamente accumulata in modo differito nel tempo.
13. 13. Impianto come da rivendicazione 12, in cui detto sistema di accumulo di energia termica à ̈ disposto e configurato per ricevere calore direttamente da detto circuito di estrazione di calore da detto almeno un pannello fotovoltaico.
14. 14. Impianto come da rivendicazione 12, quando dipendente almeno dalla rivendicazione 6, in cui detto sistema di accumulo di energia termica à ̈ disposto e configurato per ricevere energia termica dal fluido termovettore ausiliario circolante in detto circuito di trasferimento di calore.
15. 15. Impianto come almeno da rivendicazione 8, comprendente una pompa di calore, disposta e configurata per riscaldare il detto fluido termovettore ausiliario.
16. 16. Impianto come da una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sistema di interruzione del circuito elettrico in caso di guasto al circuito di estrazione del calore.
17. 17. Un pannello fotovoltaico comprendente un vano di alloggiamento, comprendente una parete trasparente alla radiazione solare ed una contrapposta parete di chiusura, tra le quali sono alloggiate celle fotovoltaiche per la trasformazione di energia solare in energia elettrica; in cui all’interno di detto vano di alloggiamento à ̈ formato un circuito di estrazione di calore generato nel pannello fotovoltaico durante l’esercizio, in detto circuito di estrazione di calore circolando un fluido termovettore in contatto con dette celle fotovoltaiche.
18. 18. Pannello fotovoltaico come da rivendicazione 17, comprendente un collettore di ingresso ed un collettore di uscita del fluido termovettore, preferibilmente disposti lungo due bordi paralleli del pannello fotovoltaico.
19. 19. Pannello fotovoltaico come da rivendicazione 17 o 18, comprendente una pluralità di setti divisori che suddividono un volume interno del pannello fotovoltaico in una pluralità di canali sostanzialmente paralleli di flusso del fluido termovettore, le celle fotovoltaiche essendo posizionate in detti canali.
20. 20. Un metodo per la produzione di energia da una fonte rinnovabile, comprendente le fasi di: disporre almeno un pannello fotovoltaico con un vano di alloggiamento in cui sono alloggiate celle fotovoltaiche, che ricevono energia solare radiante e la convertono in energia elettrica; circolare un fluido termovettore attraverso detto vano di alloggiamento in contatto con dette celle fotovoltaiche; rimuovere calore da dette celle fotovoltaiche tramite detto fluido termovettore; convogliare detto calore verso un’utenza od un sistema di accumulo.
21. 21. Metodo come da rivendicazione 1820 comprendente la fase di trasferire il calore estratto da detto almeno un pannello fotovoltaico tramite detto fluido termovettore ad un fluido termovettore ausiliario, circolante in un circuito di trasferimento del calore ricevuto ad un’utenza.
22. 22. Metodo come da rivendicazione 20 o 21, comprendente la fase di integrare il calore estratto da detto almeno un pannello fotovoltaico con energia termica prodotta da una pompa di calore.
23. 23. Metodo come da rivendicazione 20, 21 o 22, comprendente la fase di accumulare temporaneamente almeno una parte del calore estratto da detto almeno un pannello fotovoltaico in un sistema di accumulo temporaneo e cedere il calore accumulato in una fase di utilizzo successiva.