ITMI20090224A1 - Dispositivo per la conversione di energia solare in energia termica ed elettrica. - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO PER LA CONVERSIONE DI ENERGIA SOLARE IN ENERGIA TERMICA ED ELETTRICA"

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato ha come oggetto un dispositivo termoelettrico per la conversione di energia solare in energia elettrica e termica.

Oggigiorno lo sfruttamento dell'energia solare per la conversione della stessa in energia elettrica o termica è una pratica molto diffusa ed in continuo sviluppo.

Una delle tecnologie note impiegate per tale sfruttamento è la tecnologia che sfrutta l'energia solare termica per l'ottenimento di acqua calda.

Il dispositivo base di questa prima tecnologia è un collettore solare che consiste in un corpo nero assorbente entro il quale può scorrere un fluido, avente la funzione di captare l'energia irradiata dal sole attraverso la superficie scura e trasferirla sotto forma di energia termica al fluido, ed una copertura selettiva trasparente sulla parte esposta al sole, avente la funzione di limitare le dispersioni per irraggiamento verso l'ambiente esterno.

Tutto questo è racchiuso in un contenitore termicamente isolato sulle pareti laterali e sulla parete opposta a quella di ricezione della radiazione .

I collettori solari vengono connessi tra loro in serie ed in parallelo in modo da riuscire a produrre consistenti quantità di acqua calda ad una temperatura compresa tra i 50°C e 160°C.

Per esempio, un metro quadrato di pannello solare può scaldare a temperature comprese tra 45°C e 60°C fino a 300 litri di acqua al giorno, a seconda delle condizioni climatiche.

Un impianto solare termico tipico è composto da uno o più collettori di tipo selettivo al titanio con vetro temperato prismatico e da un serbatoio di accumulo dell'acqua.

Nel caso di sistemi a circolazione forzata, vanno aggiunti inoltre un circuito idraulico ed un sistema di regolazione elettronico.

Tipicamente, questa prima tecnologia nota può sfruttare differenti soluzioni tecniche di base.

La prima soluzione consiste nell 'utilizzo di pannelli in materia plastica ed è caratterizzata dal fatto che presenta costi contenuti e che è adatta solo all'impiego estivo in quanto l'assenza di copertura vetrata comporta perdite per convezione troppo elevate per un uso con basse temperature esterne.

In questa prima soluzione, l'acqua da riscaldare attraversa direttamente il pannello, evitando i costi e le complicazioni impiantistiche dello scambiatore.

Essa rappresenta pertanto la soluzione ideale per gli stabilimenti balneari, i campeggi, le piscine scoperte e le residenze di villeggiatura estiva .

Una seconda soluzione consiste nell 'utilizzo di collettori piani che rappresentano la tecnologia più diffusa e piu adattabile in quanto, rispetto ai pannelli in materia plastica, offrono una resa buona tutto l'anno.

Da un punto di vista costruttivo sono disponibili varie soluzioni che si distinguono per la selettività della piastra assorbente, per i materiali (rame, acciaio inox e alluminio anodizzato) e per l'essere idonee all'uso in impianti a circolazione forzata o naturale (meno costose, più affidabili, ma meno integrabili con le strutture architettoniche da un punto di vista estetico, perché il serbatoio di accumulo deve essere posizionato più in alto del pannello e nelle immediate vicinanze) .

Le dimensioni, pur essendo presenti sul mercato soluzioni particolari, prevedono di solito un ingombro vicino a 100x200 cm<2>.

Una terza soluzione consiste nell 'utilizzo di collettori sottovuoto che presentano il rendimento migliore in tutte le stagioni (circa un 15-20% di aumento di produzione energetica) , grazie al sostanziale annullamento delle perdite per convezione .

Il costo maggiore rispetto alla soluzione piana, comunque, ne consiglia l'adozione principalmente per temperature dell'acqua più elevate e/o clima rigido.

Sono nella maggior parte dei casi di forma tubolare, permettendo l'inclinazione ottimale della piastra captante, anche se disposti secondo superfici orizzontali o verticali.

Dal punto di vista dell'integrazione architettonica esistono vari esempi di buone realizzazioni anche nel caso di tetti a falda.

Ciò usualmente comporta il ricorso alla circolazione forzata e quindi ad una maggiore complessità di impianto. Va comunque detto che ormai la tecnologia è provata e affidabile purché sia eseguita la manutenzione periodica prescritta dal costruttore.

Attraverso l'energia solare è possibile supplire all'85 -90% del bisogno prò capite di acqua per l'utilizzo sanitario domestico.

Tutti i generi di pannelli, compresi quelli con concentratori di radiazione, sono disponibili sul mercato avvalendosi di tecnologie consolidate e facilmente reperibili.

Una seconda tecnologia nota impiegata per lo sfruttamento dell'energia solare si basa sull'effetto fotovoltaico.

Tale tecnologia si basa su moduli fotovoltaici costituiti da celle di silicio cristallino o amorfo la cui realizzazione ruota attorno alla produzione di wafer che vengono in seguito uniti tra loro a formare un modulo fotovoltaico.

L'efficienza dipende molto dal tipo di lavorazione superficiale e può raggiungere valori pari al 20% a livello di moduli.

Per esempio, i wafer monocristallini hanno un'efficienza dell'ordine del 16-24%. Questi sono tagliati da lingotti cilindrici per cui si ha uno sfrido di materiale ed i moduli presentano aree non ricoperte da silicio.

Differentemente, le celle realizzate in silicio policristallino sono le celle più economiche, ma meno efficienti (15-19%). Queste presentano il vantaggio di essere facilmente tagliabili in forme adatte ad essere unite in moduli .

Altro tipo di celle sono quelle realizzate con il silicio "ribbon" . Queste celle sono preparate da silicio fuso colato in strati piani e sono meno efficienti (13,5-15%) con il vantaggio di ridurre al minimo lo spreco di materiali e l'energia necessaria per la produzione.

I moduli fotovoltaici possono essere realizzati anche con celle a film sottile che sono caratterizzate da efficienze più basse rispetto a quelle cristalline, ma hanno il vantaggio di ridurre significativamente la quantità di materiale attivo usato e l'energia necessaria a produrle (e di conseguenza i costi) . Inoltre è possibile realizzarle su sottostrati plastici e ottenere celle flessibili. Tra le tecnologie più note vi sono:

• celle a silicio amorfo depositato da fase vapore. Queste hanno un'efficienza bassa e sono economiche da produrre. Il silicio amorfo (Si-a) possiede un bandgap maggiore del silicio cristallino (Si-c) (1,7 eV contro 1,1 eV) : ciò significa che è più efficiente nell'assorbire la parte visibile dello spettro della luce solare, ma fallisce nel raccoglierne la parte infrarossa. Dato che il silicio nanocristallino (con domini cristallini dell'ordine del nanometro) ha circa lo stesso bandgap del Si-c, i due materiali possono essere combinati creando una cella a strati, in cui lo strato superiore di Si-a assorbe la luce visibile e lascia la parte infrarossa dello spettro alla cella inferiore di silicio nanocristallino.

• celle CIGS/CIS, basate su strati di calcogenuri (ad es. Cu (InxGal-x)(SexSl-x)2). Queste sono caratterizzate da una bandgap diretta e un elevato assorbimento ottico tale per cui sono necessari pochi micron di materiale per assorbire il 99% della luce incidente (nel range di lunghezze d'onda opportuno) .

• celle basate su tellurio di cadmio (CdTe). Con una bandgap diretta ed un elevato coefficiente di assorbimento solo pochi micron di materiale sono necessari per assorbire la maggior parte della radiazione incidente.

• celle foto elettrochimiche Dye Sensitized Solar Cells DSSC. Queste sono costituite da uno strato di ossido di titanio, sensibilizzato da un colorante, che agisce da materiale assorbente luce. Questo tipo di cella permette un uso più flessibile dei materiali e la tecnologia di produzione è molto conveniente.

Oltre alle celle a film sottile, sono utilizzate anche celle multigiunzione che sono caratterizzate da una moltitudine di strati che consentono la formazione di giunzioni a diverse bandgap atte ad assorbire e convertire le porzioni differenti dello spettro.

L'efficienza di queste celle è molto elevata, ma il costo dei materiali e delle tecnologie richiede l'uso di concentratori ad alto rapporto di concentrazione solitamente superiore a 100 fino ad oltre 1000.

Nonostante l'elevato valore di efficienza, che può superare anche il 60%, si pone il problema del raffreddamento in aree ristrette ad alta densità di energia in cui per un buon raffreddamento non è sufficiente il contatto con un flusso di acqua, I moduli fotovoltaici commerciali in silicio cristallino sono caratterizzati da rendimenti dipendenti dalla temperatura operativa e, pertanto, sono in grado di convertire generalmente tra il 13% e il 20% di energia solare in elettricità, mentre la restante porzione dell'energia è persa sotto forma di calore o riflessa .

Infatti, le prestazioni delle celle fotovoltaiche risentono pesantemente dell'effetto della temperatura e la loro efficienza precipita con l'aumentare della temperatura.

Inoltre, la porzione infrarossa (IR) dello spettro solare (λ > 1100 nm), viene completamente trasmessa/rif lessa dai moduli o trasformata direttamente in calore controproducente ai fini della generazione elettrica.

L'effetto controproducente della porzione IR dello spettro solare viene ulteriormente enfatizzato in architetture che prevedano la concentrazione solare sui moduli fotovoltaici.

Al contrario l'energia dello spettro IR risulta utile ed efficace per la generazione di energia elettrica in sistemi termoelettrici basati sull'effetto Seebeck.

La necessità di controllare le condizioni di temperatura al fine di ottimizzare il rendimento dell'impianto rende utile l'impiego di sistemi di raffreddamento dei sottomoduli fotovoltaici e termoelettrici in particolare nei casi in cui la radiazione solare sia concentrata. Questo genere di soluzione tecnologica apre la strada all'introduzione di sistemi ibridi elettrici (tramite effetto fotovoltaici e termoelettrico Seebeck) e termici con produzione di acqua/aria che si riscalda con il contatto dei sottomoduli fotovoltaici e termoelettrici.

La tecnologia ibrida Elettrica- termica è oggi poco sviluppata rispetto ai singoli prodotti solari fotovoltaici o termoelettrici -Seebeck o solari -termici . Esiguo è infatti il numero di aziende che producono/commercializzano tali moduli e poche solo le soluzioni proposte per la produzione in tandem di energia elettrica e acqua/aria calda.

A titolo di esempio sono descritte le principali soluzioni adottate da produttori/sviluppatori per la produzione ibrida di energia elettrica e termica.

Primo esempio di soluzione ibrida è la soluzione Di.S.P. (Distribuited Solar Power Ltd) in cui sono presenti moduli a concentrazione per la produzione di energia elettrica costituiti da moduli fotovoltaici in silicio cristallino congiunti alla produzione di acqua o aria calda ad alta temperatura. La luce solare è concentrata con un ampio specchio parabolico sulla cella fotovoltaica il cui lato non esposto alla radiazione è raffreddato con aria/acqua.

Le celle sono sottoposte comunque ad una temperatura relativamente elevata (®100°C) che ne compromette l'efficienza e i moduli stessi risultano a livello volumetrico estremamente ingombranti .

Altro esempio di soluzione ibrida è la soluzione TESPI (Thermal Electric Solar Panel Integration) proposta da Scienza Industria Tecnologia (Pisa - Italia) che si basa sulla domanda di brevetto italiano n° B02Q07A000094 . Questa soluzione consiste in un pannello composto da diversi strati:

- uno strato sottile d'acqua dietro alle celle fotovoltaiche per raffreddarle, l'acqua entra a 20°C ed esce a 40°C,

- le celle solari sono a contatto con tale strato d'acqua mentre sono separate da un'intercapedine d'aria da un secondo strato superiore (più spesso) di acqua; tale strato superiore è in grado di assorbire gran parte della radiazione IR,

- l'acqua in uscita dallo strato inferiore entra in quello superiore dove viene ulteriormente scaldato raggiungendo la temperatura di 60°C, in uscita dallo strato superiore l'acqua viene accumulata in un serbatoio.

Questa soluzione presenta però sostanziose perdite di efficienza dovute al gran numero di interfacce che la luce deve attraversare prima di giungere sul modulo fotovoltaico (aria-vetro, vetro-acqua, acqua-vetro, vetro-aria, ariasilicio) : ciascuna interfaccia causa perdite nella radiazione che diventano sempre più grandi con lo scostarsi dell'angolo di incidenza dalla direzione perpendicolare .

Con angoli di incidenza superiori a 40° l'efficienza di conversione elettrica è dimezzata. Il modulo lavora discretamente soltanto per poche ore giornaliere. Inoltre tale soluzione non prevede concentrazione e dunque utilizza grandi quantità di silicio al cui costo va aggiunto quello del doppio sandwich di vetro contenente acqua.

Ulteriore esempio di soluzione ibrida è la soluzione Energy Catcher che consiste in un sistema integrato a concentrazione solare con inseguimento biassiale. Il sistema con una concentrazione a 100 soli produce sia energia elettrica che termica. L'efficienza elettrica dipende dal tipo di cella fotovoltaica utilizzata. Il sistema di raffreddamento è a liquido ed integrabile con gli impianti termici di piccole e medie dimensioni, ma l'ingombro elevato limita però le applicazioni possibili.

Ultimo esempio di soluzione ibrida è la soluzione della SOLARWALL Italia. In questa soluzione i collettori solari ad aria SOLARWALL permettono di riscaldare l'aria esterna da immettere in ambiente e la quantità di calore che possono trasmettere ad essa dipende dal volume d'aria che li attraversa e dall'irraggiamento solare. Le celle fotovoltaiche sono raffreddate dalla continua corrente d'aria che si riscalda producendo energia termica. Il sistema non presenta soluzioni tecnologiche particolarmente avanzate dal punto di vista dell'ibridazione della produzione fotovoltaica e termica.

Lo sviluppo di tutte queste soluzioni è sempre molto arduo da giustificare rispetto all'alternativa consistente di due moduli fotovoltaici e termici disaccoppiati. In effetti, risultano perdenti in termini per uno o più dei seguenti fattori: efficienza complessiva, facilità di installazione, area-volume complessivi, costo, tipologia di prestazione.

Compito precipuo del presente trovato consiste nel realizzare un dispositivo per la conversione di energia solare in energia elettrica e termica che consenta di sfruttare le radiazioni dell'energia solare compresa quella IR con alti livelli di efficienza.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato consiste nel realizzare un dispositivo ibrido per la produzione di elettricità e di calore, strutturalmente semplice ed economicamente vantaggioso rispetto all'arte nota .

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un dispositivo per la conversione di energia solare in energia termica ed elettrica caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi ottici concentratori di luce per la concentrazione di raggi solari su mezzi divisori di radiazioni elettromagnetiche per l'ottenimento di due fasci di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico ed il loro indirizzamento, rispettivamente, su moduli fotovoltaici e su moduli termoelettrici per la conversione dell'energia solare in energia elettrica ed in energia termica.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo per la conversione di energia solare in energia termica ed elettrica secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, negli allegati disegni, in cui:

la figura 1 è una vista prospettica di una forma di realizzazione di un dispositivo per la conversione di energia solare in energia termica ed elettrica secondo il trovato;

la figura 2 è una vista in sezione del dispositivo rappresentato in figura 1;

la figura 3 è una vista in sezione di una variante del dispositivo rappresentato in figura

Irla figura 4 è una vista prospettica di un modulo per la produzione di elettricità e di acqua calda costituito da una pluralità di dispositivi secondo il trovato

Con riferimento alle figure citate, il dispositivo termoelettrico per la conversione di energia solare in energia termica ed elettrica, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende una struttura di sostegno 2 di mezzi ottici 3 concentratori di luce atti alla concentrazione di raggi solari 4 su mezzi divisori 5 di radiazioni elettromagnetiche, alloggiati anch'essi all'interno della struttura di sostegno 2, che svolgono la funzione- di scindere la luce attraversante i mezzi ottici 3 in due fasci 6 e 7 di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico.

Più precisamente, come verrà maggiormente descritto in seguito, i mezzi divisori 5 scindono le componenti della luce visibile e ultraviolette (VIS e UV) da quelle infrarosse (IR).

Questi fasci 6 e 7 vengono poi indirizzati, rispettivamente, su moduli fotovoltaici 8 e su moduli termoelettrici 9, come verrà maggiormente descritto in seguito, per la conversione dell'energia solare in energia elettrica ed energia termica per contatto con il fluido di raffreddamento dei moduli fotovoltaici 8 e su moduli termoelettrici 9 .

Più precisamente, i mezzi ottici 3 comprendono almeno una lente ottica di tipo Fresnel avente una superficie piana 10 affacciabile verso una sorgente luminosa 11, che nel caso specifico è il sole, ed una superficie a rilievo 12 affacciata ai mezzi divisori 5.

Per esempio, nella forma di realizzazione rappresentata la lente di Fresnel utilizzata è una lente a simmetria cilindrica a pianta rettangolare con una larghezza pari a circa 10 cm ed una lunghezza variabile a seconda delle dimensioni che dovrà avere il pannello finale (in ogni caso, tipicamente, è compresa tra 50 cm e 100 cm) per uno spessore variabile di qualche millimetro.

Una lente di Fresnel così dimensionata è tale da avere un fattore di concentrazione indicativamente compreso tra 5X e 100X.

Per quanto concerne i mezzi divisori 5, questi possono essere realizzati da filtri dicroici facilmente reperibili in commercio che sono interposti tra la lente ottica di tipo Fresnel ed i moduli fotovoltaici 8 o i moduli termoelettrici 9.

Il filtro dicroico è un sistema complesso costituito da un multistrato di materiali dielettrici che riflettono una parte dello spettro incidente e trasmettono la parte restante. La lunghezza d'onda di taglio può essere variabile ed il filtro può riflettere le lunghezze d'onda più lunghe e trasmettere quelle più corte o viceversa.

Nel caso specifico, il filtro dicroico impiegato deve avere una lunghezza d'onda di taglio pari sostanzialmente a 1100 nm in modo tale da generare un primo fascio 6 di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico con lunghezze d'onda inferiori alla lunghezza d'onda di taglio ed un secondo fascio 7 di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico con lunghezze d'onda superiori alla lunghezza d'onda di taglio.

Più precisamente, il primo fascio 6, che comprende le componenti ultraviolette (UV) e le componenti visibile (VIS) della luce, è focalizzato sui moduli fotovoltaici 8 ed il secondo fascio 7, che comprende le componenti infrarosse (IR) della luce, è riflesso sui moduli termoelettrici 9.

Per quanto concerne i moduli fotovoltaici 8, questi possono essere realizzati da celle fotovoltaiche in silicio mono o policristallino disposte a matrice della larghezza indicativa di 2 o 5 cm per una lunghezza pari a quella delle lenti di Fresnel utilizzate.

I moduli termoelettrici 9 possono invece essere realizzati da materiali termoelettrici sinterizzati a base di leghe metalliche complesse e nanocompositi. I moduli termoelettrici 9 costituiscono una matrice della larghezza di 1 o 2 cm per una lunghezza pari alla lunghezza delle lenti di Fresnel utilizzate.

Nella forma di realizzazione rappresentata, le superfici sensibili dei moduli fotovoltaici 8 e dei moduli termoelettrici 9 sono sostanzialmente disposte, rispettivamente, perpendicolarmente e parallelamente rispetto all'asse ottico principale della lente di tipo Fresnel.

In una possibile variante, rappresentata in figura 3, i moduli fotovoltaici 8 ed i moduli termoelettrici 9 possono essere invertiti tra loro. Ovviamente questa inversione porta ad avere un ribaltamento del filtro dicroico.

Come verrà maggiormente descritto in seguito, i moduli fotovoltaici 8 ed i moduli termoelettrici 9 necessitano di un gruppo di raffreddamento 13 a liquido che consente l'accumulo del calore generato dai due fasci 6 e 7 sui moduli fotovoltaici 8 e sui moduli termoelettrici 9 per la conversione dell'energia solare in energia termica.

Più precisamente, la struttura di sostegno 2, che alloggia anche i mezzi divisori 5 nonché i moduli fotovoltaici 8 ed i moduli termoelettrici 9, definisce i canali di passaggio 14 del liquido del gruppo di raffreddamento 13.

Questi canali di passaggio 14, che sono realizzati in materiali ad alta conducibilità termica come ad esempio rame o alluminio, consento l'asportazione di calore con conseguente riscaldamento del liquido circolante in quanto sono a contatto con i moduli fotovoltaici 8 e con i moduli termoelettrici 9 in corrispondenza della parte opposta a quella irradiata dai due fasci 6 e 7.

In particolare modo, la fluidodinamica del gruppo di raffreddamento 13 è tale che il liquido freddo, che può ad esempio essere acqua, lambisce prima i moduli fotovoltaici 8, in quanto necessitano di un maggiore raffreddamento, e successivamente, pre-riscaldato, entrano a contatto con i moduli termoelettrici 9 a temperatura maggiore.

Come illustrato in figura 3, il singolo dispositivo 1 può essere utilizzato per la realizzazione di un modulo 15 costituito da una pluralità di dispositivi 1.

Al fine di ottimizzare il rendimento del modulo 15, questo può essere munito di meccanismo inseguitore solare che può essere del tipo monoassiale o biassiale.

Ad esempio, come inseguitori monoassiali possono essere accoppiati ad un meccanismo di tilt (ovvero di beccheggio) che sono i più semplici da realizzare .

Il meccanismo di tilt si ruotano attorno all'asse est- ovest 17 in modo tale che il modulo 15 venga inclinato (in genere manualmente due volte l'anno) verso l'orizzonte con un angolo rispetto al suolo statisticamente ottimale in base alla stagionalità.

Gli inseguitori di rollio si prefiggono di seguire il sole lungo la volta celeste nel suo percorso quotidiano, a prescindere dalla stagione di utilizzo. In questo caso l'asse di rotazione è nord -sud 16, mentre l'altezza del sole rispetto all'orizzonte viene trascurata.

Gli inseguitori monoassiali a rollio sono particolarmente indicati per i paesi a bassa latitudine (Italia compresa, specialmente al sud), in cui il percorso del sole è mediamente più ampio durante l'anno.

Un inseguitore monoassiale a configurazione cilindrica consente una esposizione molto limitata al vento, si può costruire ad un minor costo, richiede un volume di manovra inferiore quindi più adatto ad installazione su tetto, e contemporaneamente assicura un'efficienza complessiva dell'ordine del 27-32% quindi quasi uguale a quella che si ottiene con gli inseguitori biassiali .

Gli inseguitori biassiali sono più sofisticati perché dispongono di due gradi di libertà, con consentono di allineare perfettamente e in tempo reale l'ortogonale dei moduli 15 con i raggi solari .

Per esempio, gli inseguitori biassiali possono comprendere un primo meccanismo monoassiale agente secondo l'asse nord-sud 16, per mezzo di motori elettrici passo passo o continui, ed un secondo meccanismo monoassiale associato a detto primo meccanismo ed agente secondo l'asse est -ovest 17 per tilt discreti effettuati manualmente due o più volte l'anno.

Il modo più economico, ma non l'unico, per realizzarli è montare un inseguitore a bordo di un altro. Con questi inseguitori si registrano aumenti di produzione elettrica che raggiungono anche il 35%-40%, a fronte però di una maggior complessità costruttiva.

L'energia elettrica prodotta dal modulo 15 è sotto forma di tensione/corrente continua e sarà congiuntamente sviluppata l'elettronica di controllo del sistema per trasformare l'output elettrico in elettricità di rete (inverter) . Una porzione di tale energia elettrica potrà essere utilizzata per comandare il movimento meccanico dell'inseguitore solare.

Il funzionamento del dispositivo 1 consiste nella concentrazione della radiazione solare attraverso lenti di tipo Fresnel e nella successiva suddivisione del fascio (fenomeno di splitting) , attraverso un opportuno filtro dicroico, nelle sue componenti UV-VIS e IR. La porzione UV-VIS viene focalizzata su un modulo fotovoltaico 8 in silicio cristallino mentre la parte IR viene convogliata su moduli termoelettrici 9 in grado di convertire direttamente il calore in energia elettrica.

La faccia non esposta alla radiazione solare sia delle celle fotovoltaiche che delle celle termoelettriche è a contatto con i condotti 14 dell'acqua che tengono a bassa temperatura i moduli fotovoltaici 8, mantengono un gradiente di temperatura attraverso i materiali termoelettrici necessario alla generazione di corrente per effetto Seebeck e permettono la produzione di acqua calda.

La componente UV-VIS viene concentrata sulle celle fotovoltaiche con un riscaldamento della cella limitato. Il flusso dell'acqua dietro alle celle fotovoltaiche ne mantiene ulteriormente bassa la temperatura operativa con aumento dell'efficienza complessiva di conversione.

La componente IR viene invece concentrata sulle celle termoelettriche che sono rivestite con una strato assorbente al fine di massimizzare la temperatura sulla superficie di tali celle. L'acqua, dopo aver raffreddato le celle fotovoltaiche, passa a contatto con il lato delle celle termoelettriche non esposto alla radiazione assorbendo calore da esse.

L'utilizzo di materiali termoelettrici innovativi sintetizzati permette di ottenere efficienze di conversione elettrica di circa 10÷11% con temperatura del lato caldo Thot= 400÷500°C e temperatura del lato freddo T∞ld= 90÷100°C.

Più precisamente, il filtro dicroico riflette la frazione a dello spettro R/IR e filtra la frazione β UV/VIS della parte restante di spettro per cui il rendimento elettrico ηΕcomplessivo del sistema risulta:

essendo ηFνed ηΤEi rendimenti fotovoltaico e termoelettrico. La frazione di energia termica trasmessa all'acqua, supponendo assenza di back scattering è (1- ηΕ).

Se il filtraggio è attorno a 1000 nm lo spettro filtrato è tutto utile per la conversione fotovoltaica per cui β = 1 mentre la frazione energetica che viene riflessa è circa il 25% dell'energia incidente per cui a = 0,25.

Il rendimento fotovoltaico nelle condizioni di concentrazione attorno a 10 soli, per celle di silicio policristallino convenzionali può essere assunto pari a 0,18.

Il rendimento termoelettrico è determinato dalla relazione:

con γ = (1+ZT)<1/2>ed ηcrendimento di Carnot. Se la concentrazione a livello del bersaglio termoelettrico è nominalmente a 50 soli fino a 500, il fascio IR che incide sulla superficie superiore cioè sulla parete calda del sottomodulo termoelettrico porta una concentrazione di fatto di 12,5 soli.

Volendo raggiungere una temperatura di pelle lato caldo della parete termoelettrica di 500°C, i materiali termoelettrici innovativi a seguito di parziali ulteriori miglioramenti possono garantire un valore di γ = 1,4.

Il raffreddamento della faccia fredda della parete termoelettrica è effettuato con acqua che può raggiungere l'ebollizione nucleata facilitando l'asportazione del calore ad elevate densità di potenza. Ne consegue (Thot- Tcold) = 400°C ed un rendimento di Carnot ηc. = 0,594 con un risultato di ηΤΕ= 0,13.

La prestazione elettrica complessiva dovuta alla somma dell'energia elettrica fotovoltaica e di quella termoelettrica ragionevolmente attesa dunque risulta: nE= 0,21.

Si è in pratica constatato come il dispositivo per la conversione di energia solare in energia termica ed elettrica, secondo il presente trovato, assolva pienamente il compito nonché gli scopi prefissati, in quanto consente la conversione dell'energia solare in energia termica ed in energia elettrica con elevati rendimenti elettrici e termici a costi competitivi.

In particolare modo, con il sistema di concentrazione della radiazione utilizzato la radiazione solare viene focalizzata attraverso opportune lenti di tipo Fresnel sui materiali attivi (fotovoltaico e termoelettrico) con un fattore di concentrazione che potrà essere superiore ai 10 soli.

Tali lenti Fresnel, che possono essere realizzate da stampo ed in materia plastica ad elevata trasmittanza, minimizzano le perdite di efficienza e mantengono bassi i costi di realizzazione .

In questo modo viene ridotta drasticamente la quantità di materiale attivo utilizzato dato che la radiazione luminosa è concentrata su un'area limitata e, dato il costo rilevante sia del silicio cristallino sia dei materiali termoelettrici, ciò comporta un grande vantaggio economico con una riduzione dei costi dei materiali di un fattore pari al fattore di concentrazione delle lenti.

Inoltre, focalizzando la radiazione solare è possibile raggiungere sulla superficie dei moduli termoelettrici temperature molto elevate (300÷500°C) che permettono di ottenere, con gli opportuni materiali termoelettrici sintetizzati, alte efficienze di conversione elettrica.

Per quanto concerne lo "Splitting" della radiazione solare, la radiazione incidente essendo suddivisa nelle sue componenti UV-VIS e IR attraverso filtri dicroici, le lunghezze d'onda più lunghe che non contribuirebbero alla generazione fotovoltaica vengono focalizzate sui materiali termoelettrici quindi non solo non comportano un controproducente surriscaldamento del silicio, ma vengono ulteriormente convertite in elettricità per effetto Seebeck dai moduli termoelettrici .

La componente UV-VIS d'altro canto viene efficientemente assorbita dalle celle fotovoltaiche generando corrente elettrica e causando un moderato riscaldamento delle celle stesse che cedono questo calore in eccesso all'acqua di raffreddamento.

Inoltre, un ulteriore vantaggio del dispositivo secondo il trovato consiste nel fatto che le celle termoelettriche sono utilizzate in parallelo con le celle fotovoltaiche standard per la conversione dell'energia solare in energia elettrica; questo significa che una parte consistente dello spettro solare che normalmente non contribuisce alla generazione di energia viene trasformata in elettricità aumentando l'efficienza complessiva del sistema.

Infatti, il sistema complessivo presenta un alto grado di compattezza per cui può essere installato ovunque pur in presenza del sistema di inseguimento del sole.

Il dispositivo per la conversione di energia solare in energia termoelettrica, secondo il presente trovato, è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti .

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (11)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Dispositivo per la conversione di energia solare in energia termica ed elettrica caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi ottici (3) concentratori di luce per la concentrazione di raggi solari (4) su mezzi divisori (5) di radiazioni elettromagnetiche per l'ottenimento di due fasci (6, 7) di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico ed il loro indirizzamento, rispettivamente, su moduli fotovoltaici (8) e su moduli termoelettrici (9) per la conversione dell'energia solare in energia elettrica ed in energia termica.
2. 2. Dispositivo, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un gruppo di raffreddamento (13) a liquido di detti moduli fotovoltaici (8) e di detti moduli termoelettrici (9) per l'accumulo del calore generato da detti due fasci (6, 7) di radiazioni elettromagnetiche su detti moduli fotovoltaici (8) e su detti moduli termoelettrici (9) in energia termica.
3. 3. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura di sostegno (2) di detti mezzi ottici (3) concentratori di luce alloggiente detti mezzi divisori (5) di radiazioni elettromagnetiche, detti moduli termoelettrici (9) e definente canali di passaggio (14) del liquido di detto gruppo di raffreddamento (13), detti canali di passaggio (14) essendo a contatto con detti moduli fotovoltaici (8) e detti moduli termoelettrici (9) in corrispondenza della parte opposta a quella irradiata da detti due fasci (6, 7) di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico .
4. 4. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi ottici (3) concentratori di luce comprendono almeno una lente ottica di tipo Fresnel avente una superficie piana (10) affacciabile verso una sorgente luminosa (11) ed una superficie a rilievo (12) affacciata a detti mezzi divisori (5) di raggi ottici.
5. 5. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi divisori (5) di radiazioni elettromagnetiche comprendono almeno un filtro dicroico interposto tra detta lente ottica di tipo Fresnel e detti moduli fotovoltaici (8) o detti moduli termoelettrici (9).
6. 6. Dispositivo ibrido termico ed elettrico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un filtro dicroico presenta una lunghezza d'onda di taglio pari sostanzialmente a 1100 nm.
7. 7. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti due fasci (6, 7) di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico sono, rispettivamente, un primo fascio (6) di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico con lunghezze d'onda inferiori a detta lunghezza d'onda di taglio ed un secondo fascio (7) di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico con lunghezze d'onda superiori a detta lunghezza d'onda di taglio .
8. 8. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo fascio (6) di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico è focalizzato da detto almeno un filtro dicroico su detti moduli fotovoltaici (8).
9. 9. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto secondo fascio (7) di radiazioni elettromagnetiche nel campo ottico è riflesso da detto almeno un filtro dicroico su detti moduli termoelettrici (9).
10. 10. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le superfici sensibili di detti moduli fotovoltaici (8) e di detti moduli termoelettrici (9) sono sostanzialmente disposte, rispettivamente, perpendicolarmente e parallelamente rispetto all'asse ottico principale di detta lente di tipo Fresnel.
11. 11. Dispositivo, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un inseguitore solare comprendente un primo meccanismo monoassiale agente secondo l'asse nord-sud, per mezzo di motori elettrici passo passo o continui, ed un secondo meccanismo monoassiale associato a detto primo meccanismo ed agente secondo l'asse estovest per tilt discreti effettuati manualmente.