ITPI20080088A1 - Supporto e metodo per aumentare l'efficienza di celle fotovoltaiche mediante immersione - Google Patents
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Description
Supporto e Metodo Per Aumentare L’Efficienza
di Celle Fotovoltaiche Mediante Immersione
RIASSUNTO
L'invenzione consiste
(1) in una nuova metodologia di utilizzo dei pannelli fotovoltaici che vengono utilizzati immersi in bacini di acqua. (2) in un supporto per questo utilizzo innovativo di pannelli fotovoltaici:
che permette l'immersione in uno specchio d'acqua di un qualsiasi sistema per la produzione di energia elettrica costituito da un pannello fotovoltaico (PV) ,
(3) un sistema per la stabilizzazione a profondità predefinita dei pannelli PV.
(4) Un sistema automatico per il posizionamento del pannello fotovoltaico alla profondità conversione che ottimizza la funzionalità del sistema..
(5) Un sistema automatico per l’inabissamento rapido dei pannelli a profondità di sicurezza.
L’elemento di novazione della presente invenzione industriale risiede nell’utilizzo, finora non sfruttato, dei pannelli PV immersi in bacini d'acqua a profondità variabili.
In prove sperimentali si sono rilevati aumenti di efficienza tra il 10 e il 20% che dimostrano l’importanza tecnica della soluzione proposta.
Supporto e Metodo Per Aumentare L’Efficienza
di Celle Fotovoltaiche Mediante Immersione
DESCRIZIONE
Setore tecnico (classificazione WIPO)
H01 L - Dispositivi a Semiconduttore; dispositivi elettrici a stato solido
31/00 dispositivi a semiconduttore sensibili a radiazioni infra-rosse, luce, radiazioni elettromagnetiche a bassa lunghezza d’onda.
31/0232 Elementi ottici o sistemazioni (disposizioni) associate con il dispositivo
Riassunto
L’invenzione consiste
(1) in una nuova metodologia di utilizzo dei pannelli fotovoltaici che vengono utilizzati immersi in bacini di acqua.
(2) in un supporto per questo utilizzo innovativo di pannelli fotovoltaici:
che permette l’immersione in uno specchio d’acqua di un qualsiasi sistema per la produzione di energia elettrica costituito da un pannello fotovoltaico (PV)
(3) un sistema per la stabilizzazione a profondità predefinita dei pannelli PV.
(4) Un sistema automatico per il posizionamento del pannello
profondità conversione che ottimizza la funzionalità del sistema.
(5) Un sistema automatico per l’inabissamento rapido dei pannelli a profondità di sicurezza.
L’elemento di novazione della presente invenzione industriale risiede nell ’utilizzo, finora non sfruttato, dei pannelli PV immersi in bacini d’acqua a profondità variabili.
In prove sperimentali si sono rilevati aumenti di efficienza tra il 10 e il 20% che dimostrano l’importanza tecnica della soluzione proposta.
Stato dell’arte:
II sistema tipico per la produzione di energia elettrica a partire dalla radiazione solare sono le celle solari fotovoltaiche. Esse sono realizzate con sistemi a semiconduttore e, grazie all’effetto fotoelettrico, sono in grado di produrre energia elettrica dalla sola ricezione dei raggi solari sulla superficie del materiale semiconduttore. Ogni fotone che colpisce la superficie del semiconduttore produce un quanto di corrente.
Tutti i sistemi hanno prestazioni che degradano al crescere della temperatura, in particolare, il silicio monocristallino passa da una efficienza del 12-15% a 25°C, ad una efficienza del 9-12% a 70°C.
Un modo proposto dallo stato dell’arte per aumentare l’efficienza di un pannello fotoelettrico consiste neH’impiegare aria oppure acqua per abbassare la temperatura delle celle fotovoltaiche. Dunque, lo stato dell’arte presenta una serie di invenzioni che combinano la produzione di energia termica con quella elettrica. Ad esempio, esistono ben 139 brevetti americani su Celle Fotovoltaiche-Termiche. Di questi, 16 hanno a che vedere con l’acqua. Molti, però si riferiscono all’impiego di celle solari in impianti tipo solar pond (1) oppure all’estrazione di acqua daH’aria umida (2). Alcuni brevetti prevedono l’impiego di uno strato d’acqua o di aria che circondi il sistema fotovoltaico al mero sco abbassarne la temperatura (3) .
Esistono, inoltre, più di cinquanta brevetti internazionali relativi a sistemi con supporti per energia solare e che impiegano anche acqua. Di tutti questi brevetti, pero, solo due fanno esplicito riferimento da subito all’aumento della efficienza nella conversione ma sono entrambi rivolti alla produzione della sola acqua calda (4,5). Esiste un terzo brevetto di diritto giapponese rivolto all’aumento della efficienza mediante impiego di un supporto (di un sistema di montaggio) ma fa riferimento all’acqua solo in merito ai problemi di resistenza alle intemperie (6).
La presente invenzione, invece, riguarda proprio una particolare architettura realizzata mediante un supporto che può essere impiegato per alloggiare un qualunque sistema fotovoltaico immerso in acqua o in altro liquido con lo scopo di ottimizzare la resa di conversione dell’energia solare in elettrica mediante l’immersione del pannello e di abbattere i costi di produzione di tali energie. In particolare, la presente invenzione abbatte i costi degli attuali pannelli solari aumentando l'efficienza della parte fotovoltaica e riducendo i costi di installazione.
Descrizione della invenzione:
L’invenzione consiste in un supporto, ovvero una intelaiatura, che permette di posizionare il pannello fotovoltaico sotto uno strato di 2 o più cm di acqua.
Nella figura riportata nel disegno 1 si vede lo spettro solare a diverse profondità di acqua e la curva di assorbimento del silicio monocristallino (in rosso): in ordinata viene data la potenza spettrale ricevuta da un pannello (in Watt/nm/m<2>) e in ascissa la lunghezza d’onda in nm. La curva di efficienza del silicio à ̈ data in unità arbitrarie.
Dal grafico si evidenzia che lo spessore di 5 centimetri di acqua assorbe circa il 30% radiazione solare senza alterare sostanzialmente la capacità di conversione del
La piccola riduzione che si trova à ̈ largamente compensata dalla migliore efficienza che si ha tenendo il silicio a temperature relativamente basse.
Più in dettaglio l’incremento di efficienza à ̈ stato studiato ed à ̈ dovuto a due fattori:
a) Una minore impedenza di ingresso della radiazione solare che incontra sul suo cammino uno strato di acqua con indice di rifrazione n=1.33. Questo layer intermedio favorisce la penetrazione della luce solare a livello del 2% per luce diretta e verticale, e a livello del 4-6% per luce diffusa o diretta ma ad angoli di incidenza superiori ai 50°.
b) Una termostatizzazione di fatto del pannello che lavora alla temperatura del bacino d’acqua nel range 10-30 °C e non subisce quindi il fenomeno della deriva termica molto elevata specialmente in estate. Questo effetto può variare da un pannello a un altro ma à ̈ sempre piuttosto marcato: se la temperatura di esercizio del pannello esterno à ̈ di 75 °C (come spesso avviene in pieno sole) la perdita di efficienza à ̈ del 25% per il silicio mono o policristallino, del 20% per il Telleruro di Cadmio e del 15% per il silicio amorfo. Naturalmente questa perdita viene compensata dalla soluzione proposta.
Nella figura riportata nel disegno 2 sono rappresentate le efficienze simulate di un pannello immerso rapportate alle efficienze per un pannello in condizioni di esposizione normale e moltiplicate per 100. Si osserva che tutti i pannelli presi in esame possono essere vantaggiosamente posizionati sotto 10 cm di acqua e che per silicio amorfo e film sottili polimerici questa profondità può essere anche oltre i 50 cm. In particolare il calcolo à ̈ stato effettuato :
a. assumendo che la temperatura di un pannello esterno sia di 60 °C dell'acqua profonda di 20 °C e quella a pelo d’acqua di 30 °C.
b. studiando le risposte di 5 diversi pannelli sulla base dell'efficienza spettrale disponibile in letteratura e delle derive termiche date in letteratura.
i. Silicio monocristallino
ii. Silicio policristallino
iii. Silicio Amorfo
iv. Telleruro di Cadmio
v. Film sottili polimerici
Sono state effettuate numerose acquisizioni comparate ed un esempio à ̈ dato nella figura riportata nel disegno 3 dove vengono misurate simultaneamente le tensioni a carico ottimale di due panelli in silicio monocristallino: uno esterno ed uno immerso di 5 cm in acqua. Viene anche dato il valore della radiazione incidente (diviso per 100 per ragioni di rappresentazioni grafica). La differenza di temperatura tra i due pannelli era in media di 30 °C e si à ̈ trovato un incremento di efficienza superiore al 10% in linea con quanto ottenuto tramite simulazioni.
A mero titolo esemplificativo, si dà ora una breve descrizione di una possibile configurazione dell’intelaiatura di supporto oggetto della presente invenzione industriale. Dal punto di vista strutturale, una possibile configurazione del supporto consiste in un telaio modulare in materiale leggero, ad esempio polimerico, che fa da supporto a un numero di pannelli variabile da 10 a 100. L’intero sistema di pannelli può essere posizionato alla profondità variabili, per esempio 5-10 cm, mediante galleggianti come da figura in disegno 4 ed ancorato sul fondo con un corpo morto.
Un'altra possibile configurazione permette, mediante allagamento di apposite camere stagne il controllo della profondità al fine di ottimizzare l’energia elettrica prodotta, come da figura in disegno 5. Questo inoltre à ̈ particolarmente utile per mettere in sistema in caso di forte moto ondoso.
Un supporto che realizzi la presente invenzione industriale sarebbe posizionabile in svariati bacini naturali ed artificiali di acqua, anche realizzati a scopi differenti che non quelli propri della produzione di energia. Ad esempio, bacini adatti a questo scopo sono invasi artificiali o laghi ma à ̈ possibile anche posizionare i pannelli in mare in zone lagunari o comunque di limitato moto ondoso. Altri luoghi dove posizionare i panelli sono il fondo delle piscine o di vasche o grandi collettori termici solari.
Vantaggi atesi dalla invenzione industriale:
a) Migliorare l'efficienza dei pannelli fotovoltaici commerciali di circa il 10%.
b) Ridurre costi di installazione ed esercizio.
c) Estendere le possibilità di utilizzo dei pannelli.
d) Ridurre l'impatto ambientale per grandi impianti.
e) Un minore impatto ambientale : i pannelli non sono visibile dall’esterno.
f) Una maggior semplicità di manutenzione: à ̈ possibile effettuare la pulizia con robot già disponibili sul mercato come ad esempio i sistemi semoventi automatici per pulizia piscine.
g) Un maggiore sicurezza dei campi fotovoltaici spesso esposti a furti o a vandalismi.
Riferimenti bibliografici:
(1) Brevetto americano numero 6,828,499, Apparatus and method for harvesting atmospheric moisture
(2) Brevetto americano numero 6,828,499, Apparatus and method for harvesting atmospheric moisture
(3) Brevetto americano numero 6,489,553, TPV cylindrical generator for home cogeneration
(4) Brevetto Cinese numero CN1 01063561 , _Rotatable solar water heater lighting foundation support
(5) Brevetto Internazionale numero W02007099189, Thermal Solar Panel with thermodynamic support for collecting heat and producing cold
(6) Brevetto Giapponese numero JP8093159, mounting methods for solar cells
Claims (10)
- IVENDICAZIONI 1. Una nuova metodologia di utilizzo dei pannelli fotovoltaici che collocazione dei pannelli direttamente immersi in bacini di acqua o altro liquido.
- 2. Un sistema per l’attuazione della metodologia come da rivendicazione 1 e che realizzi l’immersione di pannelli fotovoltaici. Tale sistema é costituito da: (1) un supporto per l’immersione in liquido di un qualsiasi sistema fotovoltaico per la produzione di energia elettrica; (2) un sistema per la stabilizzazione a profondità predefinita del sistema per la produzione di energia elettrica; (3) un sistema per il posizionamento del sistema per la produzione di energia elettrica alla profondità desiderata.
- 3. Un sistema come da rivendicazione 2 dove il sistema per il posizionamento sia un sistema automatico
- 4. Un sistema come da rivendicazione 3 dove il sistema automatico posizioni il sistema di produzione di energia alla profondità di massima efficienza di conversione energetica.
- 5. Un sistema come da rivendicazione 2, 3, e 4 che permetta il controllo della profondità .
- 6. Un sistema come da rivendicazione 5 dove il sistema di controllo della profondità sia realizzato mediante allagamento di apposte camere stagne
- 7. Un sistema come da rivendicazione 5 o 6 per l’inabissamento rapido in caso di condizioni metereologi che avverse
- 8. Un sistema come da rivendicazione 2 dove il sistema per la stabilizzazione a profondità predefinita sia costituito da boe posizionate sul fondo del bacino di contenimento dell’acqua o altro liquido.
- 9. Un sistema come da rivendicazioni da 1 a 8 dove il sistema di posizionamento immerga il pannello a profondità variabili da 2 a 200 cm.
- 10. Un sistema per l’immersione di pannelli fotovoltaici secondo le rivendicazioni da 1 a 9 e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure degli uniti disegni e per gli accennati scopi.
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