ITMO20110097A1 - Pannello per la conversione di energia solare. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Pannello per la conversione di energia solareâ€

L’invenzione concerne un pannello per convertire l’energia irradiata dal sole in energia termica, particolarmente sotto forma di acqua calda, ed in energia elettrica.

Sono noti pannelli solari termici, detti anche collettori solari termici, atti ad essere esposti direttamente alla luce solare per trasformare in energia termica l’energia ricevuta dal sole. I pannelli solari termici vengono comunemente utilizzati per riscaldare acqua che può essere inviata ad una caldaia o più un generale ad uno o più punti di utilizzo.

Sono inoltre noti pannelli fotovoltaici, detti anche collettori fotovoltaici, comprendenti una pluralità di celle fotovoltaiche che trasformano l’energia irradiata dal sole in energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico.

L’efficienza dei pannelli fotovoltaici diminuisce significativamente con l’aumentare della temperatura delle celle fotovoltaiche che li formano. Si à ̈ pertanto pensato di raffreddare le celle fotovoltaiche utilizzando un apposito scambiatore di calore, posto al di sotto delle celle stesse. Il calore così sottratto alle celle fotovoltaiche può essere utilizzato per riscaldare acqua. In questo modo sono stati ottenuti pannelli, denominati collettori PVT o pannelli solari ibridi, in grado di convertire l’energia solare sia in energia elettrica che in energia termica.

I collettori PVT, soprattutto se di tipo non vetrato, ossia se privi di uno schermo di vetro che protegge le celle fotovoltaiche, hanno lo svantaggio di raggiungere facilmente una condizione di stagnazione, particolarmente nei periodi invernali o nelle giornate di avverse condizioni meteorologiche, in cui la temperatura ambiente à ̈ bassa e l’irraggiamento solare à ̈ scarso. Nella condizione di stagnazione, le celle fotovoltaiche non si riscaldano e non à ̈ possibile produrre acqua calda, sicché l’efficienza termica del collettore PVT à ̈ praticamente nulla.

Per ottenere sia energia termica che energia elettrica dalla luce solare in tutti i periodi dell’anno, si potrebbe pertanto pensare di installare sia uno o più pannelli solari termici, che uno o più pannelli solari ibridi o collettori PVT. Questa soluzione avrebbe tuttavia molteplici inconvenienti.

Innanzitutto, la soluzione sopra menzionata sarebbe piuttosto complicata da montare e da gestire, in quanto sarebbe necessario installare due pannelli indipendenti, ciascuno dotato di una propria struttura di supporto, di un proprio circuito idraulico e di un proprio sistema di controllo.

In secondo luogo, l’insieme formato dal pannello solare termico e dal pannello solare ibrido avrebbe dimensioni significative, il che non ne consentirebbe l’installazione su tetti aventi una superficie limitata. Infine, la soluzione ottenuta affiancando due distinti pannelli, ossia un pannello solare termico ed un pannello solare ibrido, potrebbe risultare esteticamente non gradevole.

Uno scopo dell’invenzione à ̈ migliorare i pannelli noti per la conversione di energia solare.

Un altro scopo à ̈ fornire un apparato in grado di convertire energia solare sia in energia termica che in energia elettrica, che sia semplice da installare e da controllare.

Un ulteriore scopo à ̈ fornire un apparato in grado di convertire energia solare sia in energia termica che in energia elettrica, che abbia dimensioni limitate.

Ancora un altro scopo à ̈ fornire un apparato in grado di convertire energia solare sia in energia termica che in energia elettrica, che sia esteticamente gradevole.

Secondo l’invenzione, à ̈ previsto un pannello comprendente un dispositivo di conversione fotovoltaica per trasformare energia solare in energia elettrica e un dispositivo di conversione termica per trasformare energia solare in energia termica, il pannello comprendendo inoltre mezzi di supporto per supportare il dispositivo di conversione fotovoltaica e il dispositivo di conversione termica cosicché il dispositivo di conversione fotovoltaica e il dispositivo di conversione termica possano essere irraggiati simultaneamente dalla luce solare.

Grazie all’invenzione, à ̈ possibile integrare in un unico pannello sia il dispositivo di conversione fotovoltaica che il dispositivo di conversione termica. La soluzione così ottenuta à ̈ particolarmente semplice da installare, in quanto, installando un unico pannello, à ̈ possibile ottenere sia energia elettrica che energia termica dalla luce solare in ogni periodo dell’anno.

Poiché entrambi i dispositivi di conversione sono integrati in un unico pannello, la soluzione proposta dall’invenzione ha dimensioni non eccessive e può essere installata anche su tetti aventi una superficie limitata.

Inoltre, integrando in un unico pannello il dispositivo di conversione fotovoltaica e il dispositivo di conversione termica, Ã ̈ possibile ottenere un pannello avente un aspetto estetico migliore rispetto ad un pannello solare termico e ad un pannello solare ibrido fra loro indipendenti ed affiancati.

In una versione, à ̈ prevista un’unità di controllo per controllare sia il dispositivo di conversione fotovoltaica che il dispositivo di conversione termica. Questo rende il pannello secondo l’invenzione particolarmente semplice da gestire.

In una versione, il dispositivo di conversione termica comprende un collettore solare termico.

In una versione, il dispositivo di conversione termica comprende un collettore a tubi sottovuoto.

Ciò consente di ottenere efficacemente energia termica dall’energia solare in tutti i periodi dell’anno.

In una versione, il dispositivo di conversione fotovoltaica comprende un collettore PVT o pannello solare ibrido.

Ciò consente di aumentare l’efficacia della trasformazione di energia solare in energia elettrica. Il collettore PVT o pannello solare ibrido può comprendere uno scambiatore di calore per raffreddare una pluralità di celle fotovoltaiche incluse nel collettore PVT o ibrido.

In una versione, lo scambiatore di calore à ̈ in comunicazione di fluido con un circuito idraulico associato al dispositivo di conversione termica, in modo tale che un fluido preriscaldato nello scambiatore di calore possa essere ulteriormente riscaldato dal dispositivo di conversione termica.

Ciò consente di aumentare l’efficienza termica del pannello secondo l’invenzione, ossia l’efficienza con cui tale pannello à ̈ in grado di fornire energia termica. Infatti, à ̈ possibile non soltanto convertire in energia termica l’energia solare direttamente ricevuta dal dispositivo di conversione termica, ma anche recuperare il calore derivante dal raffreddamento delle celle fotovoltaiche. Ciò può essere fatto con un unico fluido, il che consente di semplificare la struttura del pannello.

In una versione, il dispositivo di conversione termica può comprendere un primo elemento di conversione termica posizionato da un lato del dispositivo di conversione fotovoltaica ed un secondo elemento di conversione termica posizionato da un altro lato del dispositivo di conversione fotovoltaica.

Ciò consente di ottenere un pannello avente una struttura particolarmente compatta.

In una versione, il dispositivo di conversione fotovoltaica può avere una forma in pianta quadrangolare, per esempio quadrata o rettangolare, il lato in prossimità del quale à ̈ disposto il primo elemento di conversione termica essendo opposto all’altro lato in prossimità del quale à ̈ disposto il secondo elemento di conversione termica.

Una conformazione di questo tipo rende il pannello particolarmente adatto ad essere montato anche su tetti di dimensioni ridotte.

E’ inoltre possibile, se le dimensioni del tetto lo consentono, affiancare più pannelli secondo l’invenzione l’uno all’altro, così da aumentare la quantità di energia elettrica e di energia termica ottenute.

In una versione, i mezzi di supporto, oltre a supportare il dispositivo di conversione fotovoltaica e il dispositivo di conversione termica, consentono di fissare il pannello ad un tetto o ad un’altra struttura di supporto.

I mezzi di supporto possono inoltre alloggiare uno o più specchi atti a concentrare la luce solare verso il dispositivo di conversione termica.

I mezzi di supporto consentono dunque di esercitare numerose funzioni con un numero ridotto di componenti, il che rende il pannello secondo l’invenzione particolarmente semplice.

L’invenzione potrà essere meglio compresa ed attuata con riferimento agli allegati disegni, che ne illustrano alcune versioni esemplificative e non limitative di attuazione, in cui:

Figura 1 Ã ̈ una vista prospettica e schematica mostrante un pannello per convertire energia solare in energia termica ed elettrica;

Figura 2 Ã ̈ una vista prospettica e schematica mostrante un elemento di supporto del pannello di Figura 1;

Figura 3 Ã ̈ una vista prospettica, schematica e ingrandita di un dettaglio del pannello di Figura 1, presa nella posizione indicata dalla freccia A di Figura 1;

Figura 4 Ã ̈ una vista prospettica, schematica e ingrandita di un dettaglio del pannello di Figura 1, presa nella posizione indicata dalla freccia B di Figura 1;

Figura 5 Ã ̈ una vista prospettica ingrandita, mostrante un elemento di scambio termico del pannello di Figura 1; Figura 6 Ã ̈ una vista laterale mostrante un elemento di scambio termico come quello di Figura 5, secondo una versione alternativa;

Figura 7 à ̈ una vista dall’alto dell’elemento di scambio termico di Figura 6;

Figura 8 Ã ̈ una vista prospettica, schematica ed ingrandita, mostrante un dettaglio del pannello di Figura 1;

Figura 9 Ã ̈ una vista esplosa mostrante uno scambiatore di calore del pannello di Figura 1;

Figura 10 Ã ̈ un diagramma che mostra il flusso di un fluido nel pannello di Figura 1.

La Figura 1 mostra un pannello 1 per la conversione di energia solare in altre forme di energia. Il pannello 1 comprende un dispositivo di conversione fotovoltaica 2 atto a convertire l’energia solare in energia elettrica. Il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 comprende una pluralità di celle fotovoltaiche di tipo noto, che sfruttano l’effetto fotovoltaico per convertire l’energia irradiata dal sole in energia elettrica. Le celle fotovoltaiche possono essere affiancate le une alle altre così da definire una lastra 3, per esempio di forma piana.

Il pannello 1 comprende inoltre un dispositivo di conversione termica per convertire l’energia solare in energia termica, utilizzabile ad esempio per riscaldare acqua che può essere successivamente inviata ad uno o più punti di utilizzo. Nell’esempio raffigurato, il dispositivo di conversione termica comprende un primo elemento di conversione termica 4 ed un secondo elemento di conversione termica 5, ma à ̈ possibile anche prevedere un numero di elementi di conversione termica diverso da due, per esempio un singolo elemento di conversione termica oppure tre o più elementi di conversione termica.

Nell’esempio raffigurato, il primo elemento di conversione termica 4 ed il secondo elemento di conversione termica 5 sono disposti lungo due lati opposti del dispositivo di conversione fotovoltaica 2. In altre parole, il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 à ̈ interposto fra il primo elemento di conversione termica 4 ed il secondo elemento di conversione termica 5.

Il dispositivo di conversione termica può essere del tipo a tubi sottovuoto, come verrà meglio descritto più avanti.

Ciascun elemento di conversione termica 4, 5 può avere forma allungata e può in particolare essere sagomato come un tubo.

Il pannello 1 comprende inoltre mezzi di supporto atti a supportare contemporaneamente il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 e il dispositivo di conversione termica.

I mezzi di supporto possono comprendere un primo elemento di supporto 6 atto a supportare il primo elemento di conversione termica 4 ed una regione periferica del dispositivo di conversione fotovoltaica 2. I mezzi di supporto possono inoltre comprendere un secondo elemento di supporto 7 atto a supportare il secondo elemento di conversione termica 5 ed una ulteriore regione periferica del dispositivo di conversione fotovoltaica 2.

I mezzi di supporto sono realizzati in maniera tale che il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 ed il dispositivo di conversione termica possano essere contemporaneamente illuminati dalla luce solare, ossia possano essere contemporaneamente entrambi esposti al sole. In questo modo, il pannello 1 può fornire contemporaneamente energia elettrica ed energia termica. I mezzi di supporto consentono pertanto di integrare in un unico pannello 1 sia il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 che il dispositivo di conversione termica.

Il primo elemento di supporto 6 ed il secondo elemento di supporto 7 possono comprendere ciascuno un profilato 8, realizzato ad esempio in alluminio.

Come mostrato in Figura 2, il profilato 8 può comprendere una base 9 dalla quale si dipartono due pareti laterali 10. Le pareti laterali 10 si estendono trasversalmente, in particolare perpendicolarmente, rispetto alla base 9. Le pareti laterali 10 possono essere parallele fra loro.

Fra le pareti laterali 10 e la base 9 Ã ̈ definita una sede 11, sagomata come una sorta di scanalatura, atta a ricevere un elemento di conversione termica.

Da una parete laterale 10 si proietta un’appendice 12 atta a supportare il dispositivo di conversione fotovoltaica 2. L’appendice 12 può essere sagomata come una mensola sulla quale una porzione del dispositivo di conversione fotovoltaica 2 può essere appoggiata. L’appendice 12 può essere perpendicolare alla parete laterale 10 da cui essa si proietta.

Come mostrato in Figura 1, due profilati 8 possono essere posizionati in modo da ricevere in appoggio due regioni periferiche opposte del dispositivo di conversione fotovoltaica 2. Ciascuna delle suddette regioni periferiche può essere appoggiata ad un’appendice 12 e ad essa eventualmente fissata tramite appositi mezzi di fissaggio.

Per esempio, nel caso in cui il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 abbia una forma in pianta quadrangolare, in particolare rettangolare o quadrata, due profilati 8 possono ricevere in appoggio due lati paralleli del dispositivo di conversione fotovoltaica 2. I dispositivi di conversione termici possono invece essere alloggiati ciascuno in una sede 11 di un profilato 8. E’ in questo modo possibile ottenere la configurazione mostrata in Figura 1, in cui il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 à ̈ interposto fra i due elementi di conversione termica 4, 5.

Tramite i profilati 8, à ̈ anche possibile fissare il pannello 1 al tetto o più in generale alla struttura di supporto destinata a supportare il pannello 1. Ciò può avvenire per mezzo di viti, chiodi, o altri opportuni elementi di fissaggio.

Il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 può comprendere un collettore PVT o pannello solare ibrido, ossia un collettore in grado di convertire l’energia solare sia in energia elettrica che in energia termica. In questo caso, in prossimità della lastra 3 definita dalle celle fotovoltaiche, à ̈ previsto uno scambiatore di calore 13 atto a raffreddare le celle fotovoltaiche quando, a causa della radiazione solare, la loro temperatura diventa eccessiva.

Nello scambiatore di calore 13 circola un fluido, per esempio allo stato liquido, che può essere riscaldato grazie al calore sottratto alle celle fotovoltaiche. Il fluido circolante nello scambiatore di calore 13 può essere acqua che, dopo essere stata riscaldata, viene inviata direttamente ai punti di utilizzo, oppure può essere un fluido ausiliario destinato a riscaldare successivamente l’acqua in un ulteriore scambiatore di calore.

Come mostrato in Figura 3, lo scambiatore di calore 13 può essere disposto al di sotto della lastra 3 definita dalle celle fotovoltaiche. Lo scambiatore di calore 13 può essere appoggiato direttamente sul profilato 8, particolarmente sull’appendice 12.

Come mostrato in Figura 9, lo scambiatore di calore 13 può comprendere una lastra periferica 14 ed una ulteriore lastra periferica 15, fra le quali à ̈ interposta una lastra centrale 16. Sulla lastra centrale 16 à ̈ ricavata una pluralità di passaggi 17, passanti attraverso lo spessore della lastra centrale 16. I passaggi 17 possono essere ricavati sulla lastra centrale 16 per esempio tramite taglio laser. I passaggi 17 sono comunicanti fra di loro ed agiscono come precursori di un condotto di scambio termico, definendo un percorso per il fluido destinato a circolare nello scambiatore di calore 13.

La lastra centrale 16 viene resa solidale alla lastra periferica 14 e all’ulteriore lastra periferica 15, per esempio tramite una sostanza adesiva quale resina epossidica, definendo così un corpo lastriforme 20 dello scambiatore di calore 13. Nel corpo lastriforme 20, i passaggi 17 ricavati nella lastra centrale 16 sono chiusi lateralmente dalla lastra periferica 14 e dall’ulteriore lastra periferica 15 e definiscono il condotto di scambio termico. Il fluido può entrare nel condotto di scambio termico tramite un foro di ingresso 18, ricavato ad esempio nella lastra periferica 14, ed uscire dal condotto di scambio termico tramite un foro di uscita 19. Anche il foro di uscita 19 può essere ricavato nella lastra periferica 14.

Le lastre 14, 15, 16 possono essere realizzate in materiale metallico, per esempio alluminio.

Il corpo lastriforme 20 può essere unito alla lastra 3 definita dalle celle fotovoltaiche tramite mezzi adesivi conduttori di calore, quali ad esempio alluminio biadesivo. In questo modo à ̈ possibile ottimizzare il passaggio di calore dalle celle fotovoltaiche al fluido circolante nello scambiatore di calore 13.

Come già anticipato, il dispositivo di conversione termica può essere del tipo a tubi sottovuoto. Questi dispositivi sono noti nel settore dell’energia solare e pertanto non necessitano di una descrizione dettagliata. Di seguito, verrà comunque esposta una breve descrizione di un dispositivo a tubi sottovuoto che può essere utilizzato nel pannello 1.

Gli elementi di conversione termica 4, 5 possono comprendere ciascuno un tubo interno ed un tubo esterno coassiali e saldati fra loro, entrambi realizzati in un materiale sostanzialmente trasparente alla luce solare, per esempio vetro. Fra il tubo interno e il tubo esterno à ̈ definita una intercapedine all’interno della quale viene creato il vuoto. Il tubo interno può essere ricoperto con una vernice selettiva in grado di assorbire la luce solare. All’interno del tubo interno à ̈ inserito un tubo di riscaldamento, chiamato anche “heat pipe†, ossia un tubo chiuso, realizzato ad esempio in rame, che contiene un fluido di lavoro. Il tubo di riscaldamento à ̈ termicamente isolato dall’ambiente esterno grazie all’intercapedine definita fra i tubi di vetro in cui à ̈ stato creato il vuoto.

Come mostrato in Figura 1, un’estremità 21 del tubo di riscaldamento fuoriesce dal tubo esterno e viene utilizzata per sottrarre calore dal fluido di lavoro circolante nel tubo di riscaldamento. L’estremità 21 à ̈ detta anche bulbo del tubo di riscaldamento o “heat pipe†.

Una ulteriore estremità del tubo di riscaldamento à ̈ invece racchiusa all’interno del tubo esterno.

L’estremità 21 viene inserita all’interno di un elemento di scambio termico 23, che à ̈ stato rimosso dalla Figura 1 per chiarezza di rappresentazione, ma à ̈ mostrato in modo ingrandito in Figura 5.

L’elemento di scambio termico 23 serve a mettere il tubo di riscaldamento in comunicazione termica con un fluido che il dispositivo di conversione termica consente di riscaldare. Tale fluido circola all’interno di un circuito idraulico associato al dispositivo di conversione termica. Il circuito idraulico comprende un condotto 26, mostrato in Figura 8.

Il fluido circolante nel circuito idraulico può essere direttamente l’acqua da inviare al punto di utilizzo, oppure un fluido ausiliario che cederà successivamente calore all’acqua da inviare al punto di utilizzo.

L’elemento di scambio termico 23 à ̈ realizzato con un materiale avente una buona conduttività termica, per esempio rame.

L’elemento di scambio termico 23 ha la forma di un corpo cavo ed à ̈ provvisto di un foro 24 nel quale può essere ricevuta l’estremità 21. Il foro 24 può avere un diametro interno uguale al diametro esterno dell’estremità 21, in modo tale che l’estremità 21 sia posta a contatto con il materiale costituente l’elemento di scambio termico 23, il che favorisce il passaggio di calore dall’estremità 21 all’elemento di scambio termico 23. Nell’esempio raffigurato, in cui l’elemento di scambio termico 23 ha forma cilindrica, il foro 24 può essere disposto assialmente.

L’elemento di scambio termico 23 à ̈ inoltre provvisto di un ulteriore foro o apertura 25 all’interno della quale può essere ricevuto un condotto 26, come mostrato in Figura 8. L’apertura 25 può essere disposta trasversalmente rispetto al foro 24. Nell’esempio raffigurato, l’apertura 25 à ̈ sagomata come un foro ricavato in posizione radiale sul corpo dell’elemento di scambio termico 23.

L’apertura 25 non interseca il foro 24.

All’interno dell’apertura 25 passa, per esempio senza gioco, il condotto 26, che può essere realizzato con un materiale conduttore di calore, particolarmente rame. Il condotto 26 può essere delimitato da una parete avente uno spessore relativamente basso, in modo tale che il condotto 26 risulti flessibile e possa essere piegato secondo una geometria desiderata. Nell’esempio raffigurato, il condotto 26 à ̈ stato piegato così da assumere una forma come di “U†.

Grazie alla sua configurazione flessibile, il condotto 26 può essere ripiegato in modo da essere contenuto all’interno dell’ingombro del pannello 1, ossia all’interno della sagoma definita dal dispositivo di conversione fotovoltaica 2 e dagli elementi di supporto 6, 7 che supportano gli elementi di conversione termica 4, 5. Ciò conferisce al pannello 1 una struttura particolarmente compatta ed à ̈ molto utile nel caso in cui si desiderino montare più pannelli 1 uno di fianco all’altro.

Quando il pannello 1 viene installato su un tetto o su un’altra struttura di supporto, ciascun elemento di conversione termica 4, 5 viene preferibilmente posizionato in maniera tale che l’estremità 21 sia rivolta verso l’alto. L’energia irradiata dal sole riscalda il fluido di lavoro contenuto all’interno del tubo di riscaldamento, che passa almeno in parte allo stato di vapore. Il vapore così generato tende a spostarsi verso l’alto, ossia verso l’estremità 21, all’interno del tubo di riscaldamento, dal momento che esso à ̈ più leggero della frazione di fluido di lavoro che si trova ancora allo stato liquido.

Una volta giunto nell’estremità 21, il vapore cede calore al fluido circolante nel condotto 26 e si raffredda, tornando nuovamente allo stato liquido. A causa della sua densità relativamente elevata, il liquido torna verso la porzione inferiore del tubo di riscaldamento. Si instaura così, all’interno del tubo di riscaldamento, una circolazione del fluido di lavoro che consente di trasportare il calore proveniente da tutte le zone del tubo di riscaldamento verso l’estremità 21. Le Figure 6 e 7 mostrano un elemento di scambio termico 123 secondo una versione alternativa. L’elemento di scambio termico 123 à ̈ realizzato in due parti e comprende una prima parte 27, avente ad esempio forma cilindrica, nella quale à ̈ ricavato un foro 124 destinato a ricevere l’estremità 21. In una regione della prima parte 27 opposta al foro 124, à ̈ ricavato un recesso 29 sagomato in modo da accoppiarsi, in accoppiamento di forma, con una porzione del condotto 26. Se il condotto 26 ha forma cilindrica, il recesso 29 può essere delimitato da una superficie di un semicilindro.

L’elemento di scambio termico 123 comprende inoltre una seconda parte 28 provvista di un ulteriore recesso 30 atto ad affacciarsi al recesso 29 per ricevere un’ulteriore porzione del condotto 26. Anche l’ulteriore recesso 30 può essere delimitato da una superficie avente forma come di un semicilindro.

La prima parte 27 e la seconda parte 28 sono inoltre provviste di fori di fissaggio 31, visibili in Figura 7 e schematizzati con linea tratteggiata in Figura 6, atti a ricevere corrispondenti elementi di fissaggio, per esempio viti, che consentono di fissare la seconda parte 28 alla prima parte 27.

Durante il funzionamento, l’estremità 21 viene inserita all’interno del foro 124 ricavato nella prima parte 27. Il condotto 26 viene appoggiato al recesso 29 della prima parte 27. La seconda parte 28 viene quindi portata a contatto con la prima parte 27. Quando ciò accade, il recesso 29 e l’ulteriore recesso 30 definiscono un’apertura attraverso la quale può essere ricevuto il condotto 26. La seconda parte 28 viene quindi fissata alla prima parte 27 tramite gli elementi di fissaggio, in maniera tale che il condotto 26 risulti bloccato fra la prima parte 27 e la seconda parte 28.

L’elemento di scambio termico 123 mostrato nelle Figure 6 e 7, essendo scomponibile in due parti, consente un più agevole montaggio del condotto 26 rispetto alla versione dell’elemento di scambio termico 23 realizzato in un solo componente mostrato in Figura 5.

La Figura 4 mostra come l’estremità 21 del tubo di riscaldamento viene supportata dal corrispondente elemento di supporto 6, 7. L’estremità 21 viene inserita in un involucro 32 atto ad impegnarsi in accoppiamento di forma all’interno della sede 11 ricavata nel profilato 8. L’involucro 32 può essere dimensionato in modo da essere bloccato con interferenza nella sede 11. All’interno dell’involucro 32 sono ricevuti anche i componenti associati all’estremità 21, ossia l’elemento di scambio termico 23 o 123 e una porzione del condotto 26.

Dopo che nell’involucro 32 sono stati introdotti l’estremità 21 e i componenti ad essa associati, l’involucro 32 viene riempito con una sostanza termicamente isolante che minimizza le dispersioni di calore nella zona in cui il fluido di lavoro contenuto all’interno del tubo di riscaldamento cede calore al fluido circolante nel condotto 26.

Come mostrato in Figura 3, al di sotto di ciascun elemento di conversione termica 4, 5 può essere disposto uno specchio 22 avente la funzione di riflettere la luce solare e concentrarla verso l’elemento di conversione termica 4, 5. A tal fine, ciascuno specchio 22 à ̈ sagomato secondo un’opportuna geometria, per esempio con una doppia concavità.

Ciascuno specchio 22 può essere ricevuto nella sede 11 del profilato 8 che supporta il corrispondente elemento di conversione termica 4, 5.

La Figura 3 mostra inoltre come una regione terminale di ciascun elemento di conversione termica 4, 5 opposta all’estremità 21 può essere supportata dal profilato 8. La regione terminale dell’elemento di conversione termica 4, 5 viene ricevuta all’interno di un elemento a tazza 33 dal quale si diparte uno stelo 34 che può essere fissato al profilato 8, particolarmente alla relativa base 9.

Lo scambiatore di calore 13 può essere collegato al circuito idraulico associato al dispositivo di conversione termica in modo che il fluido che si à ̈ riscaldato sottraendo calore alle celle fotovoltaiche possa essere ulteriormente riscaldato dagli elementi di conversione termica 4, 5. In altre parole, lo scambiatore di calore può agire come un preriscaldatore del fluido che verrà in seguito ulteriormente riscaldato dagli elementi di conversione 4, 5. A tal fine, il condotto 26 può essere collegato, direttamente o tramite uno o più condotti di collegamento, al condotto di scambio termico ricavato all’interno dello scambiatore di calore 13.

E’ inoltre prevista un’unità di controllo non raffigurata disposta per controllare sia il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 che il dispositivo di conversione termica.

In particolare, l’unità di controllo può coordinare il funzionamento del dispositivo di conversione fotovoltaica 2 e del dispositivo di conversione termica come verrà di seguito descritto con riferimento alla Figura 10.

Il fluido atto ad essere riscaldato dalla radiazione solare può entrare nel pannello 1 attraverso un ingresso principale. A valle dell’ingresso principale, il fluido si divide in un primo flusso F1 ed in un secondo flusso F2. Il primo flusso F1 à ̈ diretto verso il dispositivo di conversione fotovoltaica 2, mentre il secondo flusso F2 à ̈ diretto verso il dispositivo di conversione termica. Il primo flusso F1 entra nello scambiatore di calore 13 del dispositivo di conversione fotovoltaica 2 e consente di raffreddare le celle fotovoltaiche, assorbendo calore da queste ultime. Dallo scambiatore di calore 13 esce pertanto un flusso di fluido F1’ avente una temperatura maggiore della temperatura che il primo flusso F1 aveva quando à ̈ entrato nel dispositivo di conversione fotovoltaica 2.

Il flusso di fluido F1’ uscente dallo scambiatore di calore 13 viene inviato verso il circuito idraulico associato al dispositivo di conversione termica per essere ulteriormente riscaldato da quest’ultimo dispositivo. Per esempio, il flusso di fluido F1’ può essere unito al secondo flusso F2 che proviene dall’ingresso principale ed à ̈ diretto verso il dispositivo di conversione termica.

Il secondo flusso F2, eventualmente dopo aver ricevuto il flusso di fluido preriscaldato F1’, si divide in una prima parte F3 che entra nel primo elemento di conversione termica 4 ed in una seconda parte F4 che entra nel secondo elemento di conversione termica 5. Dopo che il fluido à ̈ stato riscaldato negli elementi di conversione termica 4, 5 la prima parte F3 e la seconda parte F4 si riuniscono fra di loro per fornire energia termica al punto di utilizzo.

Durante il funzionamento, il sole illumina sia il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 che il dispositivo di conversione termica. Il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 produce energia elettrica che viene inviata ad una rete elettrica con modalità note. Il dispositivo di conversione termica cede calore al fluido circolante nel circuito idraulico così da ottenere acqua calda. L’unità di controllo à ̈ in grado di monitorare la temperatura delle celle fotovoltaiche. Qualora la temperatura delle celle fotovoltaiche aumenti eccessivamente, l’unità di controllo attiva lo scambiatore di calore 13 che raffredda le celle fotovoltaiche. L’unità di controllo, attraverso un apposito sistema di valvole, consente inoltre al fluido preriscaldato nello scambiatore di calore 13 di entrare nel circuito idraulico associato al dispositivo di conversione termica per essere ulteriormente riscaldato. Ciò consente di migliorare l’efficienza delle celle fotovoltaiche, la cui temperatura può essere mantenuta al di sotto di un limite prestabilito, e contemporaneamente di aumentare l’efficienza della conversione termica, sfruttando sia il calore generato nel dispositivo di conversione termica che il calore ceduto dalle celle fotovoltaiche per produrre acqua calda.

Se invece l’unità di controllo rileva che la temperatura delle celle fotovoltaiche à ̈ al di sotto di un valore limite prestabilito, lo scambiatore di calore 13 viene disattivato. In queste condizioni, l’efficienza delle celle fotovoltaiche à ̈ comunque buona dal momento che esse sono relativamente fredde. Inoltre, a causa della loro bassa temperatura, le celle fotovoltaiche non potrebbero cedere calore in maniera significativa al fluido circolante nello scambiatore di calore 13. Lo scambiatore di calore 13 viene così isolato dal dispositivo di conversione termica, che continua a produrre energia termica in maniera indipendente grazie al sistema a tubi sottovuoto. La produzione di energia termica viene pertanto garantita anche nel periodo invernale o nelle giornate di avverse condizioni meteorologiche.

L’unità di controllo può comprendere un controllore programmabile atto a monitorare, con una frequenza che può essere liberamente selezionata, i parametri principali del pannello 1. Fra i parametri monitorati dall’unità di controllo, possono ad esempio figurare i parametri di seguito elencati:

- temperatura dell’ambiente in cui à ̈ inserito il pannello 1;

- temperatura del pannello 1;

- temperatura del fluido atto a raffreddare le celle fotovoltaiche in uno o più punti selezionati;

- pressione del fluido atto a raffreddare le celle fotovoltaiche in uno o più punti selezionati;

- irraggiamento solare;

- flusso del fluido atto a raffreddare le celle fotovoltaiche;

- parametri elettrici del pannello 1;

- segnale ricevuto da un eventuale sensore di presenza neve.

Dai parametri monitorati, l’unità di controllo à ̈ in grado di calcolare in tempo reale la potenza elettrica fornita dal pannello 1 grazie alla conversione di energia solare in energia elettrica che si verifica nel dispositivo di conversione fotovoltaica 2 e la potenza termica fornita dal pannello 1 grazie allo scambiatore di calore 13 e al dispositivo di conversione termica. L’unità di controllo à ̈ inoltre in grado di calcolare l’incremento di efficienza che si verifica grazie alla presenza dello scambiatore di calore 13.

L’unità di controllo può pertanto controllare il dispositivo di conversione fotovoltaica 2 e il dispositivo di conversione termica in modo da massimizzare il rendimento del pannello 1.

Inoltre, l’unità di controllo à ̈ programmata in modo da regolare il funzionamento del pannello 1 a seconda della particolare configurazione di funzionamento vigente nel momento considerato.

A questo proposito, l’unità di controllo può impostare una pluralità di configurazioni di funzionamento regolare, come ad esempio funzionamento diurno, notturno, estivo e invernale.

L’unità di controllo à ̈ inoltre in grado di impostare configurazioni di intervento eccezionale, quali ad esempio configurazione di sbrinamento, scioglimento neve, temperature estremamente basse o estremamente alte. La configurazione di sbrinamento viene selezionata in determinati periodi della giornata in caso di assenza di produzione di energia elettrica e presenza di irraggiamento solare. Quando la configurazione di sbrinamento à ̈ selezionata, viene attivato un circuito di riscaldamento che lavora fino al completo scioglimento dello strato di ghiaccio depositato sul pannello 1.

Se à ̈ presente la neve, che può essere rilevata grazie ad un apposito sensore, il circuito di riscaldamento resta attivo fino al completo scioglimento dello strato di neve, segnalato dal sensore, dopodiché il pannello 1 può riprendere a funzionare normalmente.

Il pannello 1 può inoltre funzionare in configurazioni di emergenza, corrispondenti a situazioni di elevate temperature e/o pressioni, nelle quali l’unità di controllo cerca di massimizzare l’estrazione di calore al fine di ripristinare il normale funzionamento. Qualora ciò non sia possibile, l’unità di controllo attiva un sistema di raffreddamento di emergenza che raffredda il pannello 1 e svuota i circuiti idraulici. Il funzionamento del pannello 1 dovrà essere successivamente ripristinato da un tecnico autorizzato. Sono infine previste configurazioni di sicurezza/manutenzione inseribili in modo automatico o manualmente a seconda delle esigenze di manutenzione del pannello 1 oppure in casi in cui il funzionamento del pannello 1 potrebbe causare pericoli.

Ogni configurazione del sistema non corrispondente ad una configurazione di normale funzionamento viene segnalata all’utente e/o al gestore, che possono così intervenire personalmente o in remoto per verificare lo stato del pannello 1.

L’unità di controllo à ̈ programmata in modo da immagazzinare in una memoria i valori dei parametri che sono stati misurati durante un intervallo di tempo avente una prefissata durata. L’unità di controllo può inoltre memorizzare eventuali segnalazioni di anomalie del pannello 1. In questo modo, un operatore può ricercare l’origine di guasti, malfunzionamenti o anomalie.

Qualora si verifichi un’anomalia temporanea, l’unità di controllo tenta di ripristinare il normale funzionamento del pannello 1. Se l’anomalia perdura per un periodo di tempo prestabilito, l’unità di controllo inserisce il pannello 1 in una configurazione di sicurezza, che viene segnalata all’operatore in modo che un tecnico possa intervenire.

E’ inoltre prevista una configurazione di emergenza per anomalie di particolare gravità. La configurazione di emergenza viene segnalata all’operatore non soltanto dall’interfaccia grafica associata all’unità di controllo, ma anche da un dispositivo di segnalazione acustica, quale una sirena.

L’unità di controllo à ̈ espandibile in modo da poter controllare più pannelli a seconda del tipo di installazione di pannelli 1 prescelta da un utilizzatore.

L’unità di controllo può essere in grado di funzionare a bassa tensione, e può venire interfacciata ad eventuali dispositivi del pannello 1 che funzionano ad alta tensione tramite teleruttori controllati a bassa tensione.

Sono previste una o più interfacce, per esempio di tipo grafico, che consentono ad un utilizzatore o ad un tecnico di interagire con l’unità di controllo attraverso calcolatori e/o dispositivi remoti e/o locali.

L’unità di controllo può essere dotata di una batteria tampone che le consente di mettere il pannello 1 in una configurazione di sicurezza qualora manchi l’alimentazione elettrica.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pannello comprendente un dispositivo di conversione fotovoltaica (2) per trasformare energia solare in energia elettrica e un dispositivo di conversione termica (4, 5) per trasformare energia solare in energia termica, il pannello (1) comprendendo inoltre mezzi di supporto (6, 7) per supportare il dispositivo di conversione fotovoltaica (2) e il dispositivo di conversione termica (4, 5) cosicché il dispositivo di conversione fotovoltaica (2) e il dispositivo di conversione termica (4, 5) possano essere irraggiati simultaneamente dalla luce solare.
2. 2. Pannello secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo di conversione fotovoltaica (2) comprende una pluralità di celle fotovoltaiche ed uno scambiatore di calore (13) per raffreddare le celle fotovoltaiche.
3. 3. Pannello secondo la rivendicazione 1 oppure 2, e comprendente inoltre un circuito idraulico associato al dispositivo di conversione termica (4, 5), un fluido essendo atto a circolare nel circuito idraulico così da ricevere energia termica per essere riscaldato.
4. 4. Pannello secondo la rivendicazione 3, quando dipendente dalla rivendicazione 2, in cui il circuito idraulico à ̈ in comunicazione di fluido con lo scambiatore di calore (13), in modo che un fluido preriscaldato nello scambiatore di calore (13) possa essere inviato nel circuito idraulico per essere ulteriormente riscaldato.
5. 5. Pannello secondo la rivendicazione 3 oppure 4, in cui il dispositivo di conversione termica (4, 5) comprende almeno un tubo di riscaldamento atto ad assorbire la luce solare, il tubo di riscaldamento essendo circondato da due tubi coassiali fra i quali à ̈ definita un’intercapedine in cui à ̈ creato il vuoto.
6. 6. Pannello secondo la rivendicazione 5, in cui il tubo di riscaldamento ha un’estremità (21) che fuoriesce dai tubi coassiali per cedere calore al fluido circolante nel circuito idraulico, l’estremità (21) comunicando termicamente con il circuito idraulico tramite un elemento di scambio termico (23; 123).
7. 7. Pannello secondo la rivendicazione 6, in cui l’elemento di scambio termico (23; 123) comprende un foro (24; 124) in cui à ̈ alloggiata l’estremità (21) ed un’apertura (25; 28, 29) attraverso la quale passa un condotto (26) del circuito idraulico.
8. 8. Pannello secondo la rivendicazione 7, in cui, in prossimità dell’elemento di scambio termico (23; 123), il condotto (26) à ̈ piegato ad “U†, così da poter essere contenuto nell’ingombro definito dal dispositivo di conversione fotovoltaica (2) e dai mezzi di supporto (6, 7).
9. 9. Pannello secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo di conversione termica (4, 5) comprende un primo elemento di conversione termica (4) disposto a fianco di una regione periferica del dispositivo di conversione fotovoltaica (2) ed un secondo elemento di conversione termica (5) disposto a fianco di una ulteriore regione periferica del dispositivo di conversione fotovoltaica (2), detta regione periferica essendo preferibilmente opposta a detta ulteriore regione periferica.
10. 10. Pannello secondo la rivendicazione 9, in cui i mezzi di supporto (6, 7) comprendono un primo elemento di supporto (6) per supportare la regione periferica del dispositivo di conversione fotovoltaica (2) e il primo elemento di conversione termica (4), i mezzi di supporto (6, 7) comprendendo inoltre un secondo elemento di supporto (7) per supportare l’ulteriore regione periferica del dispositivo di conversione fotovoltaica (2) e il secondo elemento di conversione termica (5).
11. 11. Pannello secondo la rivendicazione 10, in cui il primo elemento di supporto (6) ed il secondo elemento di supporto (7) comprendono ciascuno un elemento profilato (8), l’elemento profilato (8) avendo una sede (11) per ricevere il corrispondente elemento di conversione termica (4, 5) ed un’appendice (12) per supportare il dispositivo di conversione fotovoltaica (2).
12. 12. Pannello secondo la rivendicazione 11, in cui ciascuna sede (11) à ̈ delimitata da una base (9) e da almeno una parete laterale (10), l’appendice (12) estendendosi trasversalmente a detta almeno una parete laterale (10) per ricevere in appoggio la corrispondente regione periferica del dispositivo di conversione fotovoltaica (2).
13. 13. Pannello secondo la rivendicazione 11 oppure 12, in cui ciascuna sede (11) alloggia uno specchio (22) per concentrare la luce solare verso il corrispondente elemento di conversione termica (4, 5).
14. 14. Pannello secondo una delle rivendicazioni precedenti, e comprendente inoltre un’unità di controllo per controllare sia il dispositivo di conversione fotovoltaica (2) che il dispositivo di conversione termica (4, 5).