ITRM20070093A1 - HIGH EFFICIENCY PANEL FOR ENERGY PRODUCTION. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
a corredo di una domanda di brevetto di invenzione industriale avente per titolo: accompanying an industrial invention patent application entitled:
“Pannello ad alto rendimento per la produzione di energia”. “High performance panel for energy production”.
La presente invenzione riguarda un pannello ad alto rendimento per la produzione di energia. The present invention relates to a high-performance panel for the production of energy.
Più dettagliatamente l’invenzione concerne un pannello comprendente un pannello fotovoltaico, in grado di consentire un recupero di energia termica ed eventualmente meccanica altrimenti disperse, consentendo un sensibile aumento del rendimento. More specifically, the invention relates to a panel comprising a photovoltaic panel, capable of allowing a recovery of thermal and possibly mechanical energy otherwise dispersed, allowing a significant increase in yield.
Com’è ben noto attualmente la ricerca scientifica è orientata allo studio di nuove risorse energetiche alternative e/o rinnovabili. Ciò è anche dovuto alla necessità di ridurre il consumo di idrocarburi, che, come noto, sono molto inquinanti. Tra l’altro il loro approvvigionamento non potrà essere assicurato per sempre. As is well known, scientific research is currently oriented towards the study of new alternative and / or renewable energy resources. This is also due to the need to reduce the consumption of hydrocarbons, which, as is well known, are very polluting. Among other things, their supply cannot be guaranteed forever.
Un primo passo verso un consumo ed una produzione intelligente dell’energia elettrica è dato dal recupero e produzione energetica negli impianti domestici. A first step towards intelligent consumption and production of electricity is given by the recovery and production of energy in domestic systems.
Esistono, in particolare, vari tipi di tecnologie energetiche alternative applicate in tale ambito. Tra queste le più importanti e su cui la ricerca pone maggiore attenzione sono gli impianti fotovoltaici e gli impianti termosolari. There are, in particular, various types of alternative energy technologies applied in this area. Among these, the most important and on which research places the greatest attention are photovoltaic systems and solar thermal systems.
Gli impianti fotovoltaici consentono la produzione di energia elettrica, sfruttando la luce fotonica solare. L’elemento che produce effettivamente energia nell’impianto fotovoltaico è il pannello fotovoltaico. Photovoltaic systems allow the production of electricity by exploiting solar photonic light. The element that actually produces energy in the photovoltaic system is the photovoltaic panel.
Un pannello fotovoltaico è generalmente composto da celle di silicio drogate preferibilmente con boro e fosforo. A photovoltaic panel is generally composed of silicon cells doped preferably with boron and phosphorus.
Il silicio impiegato per la realizzazione di un pannello fotovoltaico può essere di vari tipi, ad esempio: The silicon used for the construction of a photovoltaic panel can be of various types, for example:
• silicio monocristallino, in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea, opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione pn; • monocrystalline silicon, in which each cell is made starting from a wafer whose crystalline structure is homogeneous, suitably doped to form a pn junction;
• silicio policristallino, in cui il wafer non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati policristallo; • polycrystalline silicon, in which the wafer is not structurally homogeneous but organized in locally ordered polycrystalline grains;
• silicio amorfo, in cui gli atomi silicei sono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. • amorphous silicon, in which the siliceous atoms are chemically deposited in an amorphous, or structurally disorganized, form on the support surface.
Il drogaggio del wafer di silicio consente di ottenere un campo nella giunzione p-n a seguito della diffusione di fotoni sulla superficie, producendo così energia elettrica in tensione continua. The doping of the silicon wafer allows to obtain a field in the p-n junction following the diffusion of photons on the surface, thus producing electrical energy in direct voltage.
È noto che il sole con la sua luce riesce ad erogare una energia pari a 1000 watt per m<2>, ma attualmente la tecnologia disponibile riesce a convertire solo dal 10% al 17% di tale energia. Dunque il problema principale della tecnologia dei pannelli fotovoltaici è il basso rendimento ottenibile in termini energetici. It is known that the sun with its light is able to deliver an energy equal to 1000 watts per m <2>, but currently the available technology is able to convert only 10% to 17% of this energy. Therefore the main problem of photovoltaic panel technology is the low yield that can be obtained in energy terms.
Infatti, i pannelli fotovoltaici producono energia elettrica per mezzo di luce solare, ma parte dei fotoni disperdono la loro energia in calore. I-noltre, è necessario considerare anche il calore prodotto dall’energia elettrica del pannello (legge di OHM) per effetto della corrente elettrica prodotta. L’energia termica generata viene dispersa in atmosfe ra per lo più nella parte posteriore passiva del pannello. In fact, photovoltaic panels produce electricity by means of sunlight, but part of the photons disperse their energy in heat. In addition, it is also necessary to consider the heat produced by the electrical energy of the panel (OHM law) due to the electric current produced. The thermal energy generated is dispersed in the atmosphere mostly in the passive rear part of the panel.
Gli impianti termosolari sfruttano solo il calore del sole per la produzione di acqua calda. Le tecnologie attuali si sono evolute molto negli ultimi anni, grazie all’impiego di nuovi materiali. Solar thermal systems use only the heat of the sun to produce hot water. Current technologies have evolved a lot in recent years, thanks to the use of new materials.
Il vetro di copertura dei pannelli, sfumato in nero, permette di acquisire maggiore calore solare, mentre la serpentina interna al pannello, composta da rame e titanio, aumenta il rendimento termico. The cover glass of the panels, shaded in black, allows to acquire more solar heat, while the coil inside the panel, composed of copper and titanium, increases the thermal efficiency.
I pannelli moderni comprendono anche isolanti in poliuretano, che riescono a mantenere per un tempo maggiore il calore accumulato nel boiler. Modern panels also include polyurethane insulation, which can keep the heat accumulated in the boiler for a longer time.
Il funzionamento degli impianti termosolari può essere così semplificato: il sole riscalda il pannello termico che contiene al suo interno la serpentina di rame e titanio. The operation of solar thermal systems can be simplified as follows: the sun heats the thermal panel which contains the copper and titanium coil inside.
Nella serpentina è presente un liquido diatermico, che scaldandosi va in pressione, circolando nel boiler contenente a sua volta acqua. Solo a seguito del raggiungimento di una temperatura di 60/70 °C il circuito si ferma per equilibrio termico. In the coil there is a diathermic liquid which, when heated, goes under pressure, circulating in the boiler containing in turn water. Only after reaching a temperature of 60/70 ° C the circuit stops due to thermal equilibrium.
Il problema tecnico critico degli impianti termosolari è che non sono in grado di produrre energia nei mesi invernali. The critical technical problem of solar thermal systems is that they are unable to produce energy in the winter months.
Alla luce di quanto sopra, è scopo della presente invenzione proporre un pannello ad alto rendimento che permetta di combinare i vantaggi dei pannelli fotovoltaici e degli impianti termosolari. In light of the above, it is an object of the present invention to propose a high-performance panel that allows combining the advantages of photovoltaic panels and thermal solar systems.
Un altro scopo dell’invenzione è che il pannello oggetto dell’invenzione possa essere in grado di recuperare anche energia meccanica prodotta dalla circolazione del fluido nella serpentina di circolazione di scambio termico con la caldaia dell’impianto termosolari. Another purpose of the invention is that the panel object of the invention may also be able to recover mechanical energy produced by the circulation of the fluid in the heat exchange circulation coil with the boiler of the solar thermal system.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un pannello per la produzione di energia comprendente almeno un pannello fotovoltaico atto alla generazione di energia elettrica a seguito dell’incidenza su una sua superficie di una sorgente di luce; mezzi di assorbimento accoppiati termicamente con detto almeno pannello fotovoltaico, detti mezzi di assorbimento assorbendo il calore dissipato da detto almeno un pannello fotovoltaico; e una unità di caldaia comprendente almeno un tubo di ingresso ed almeno un tubo di uscita dell’acqua di alimento e mezzi scambiatori di calore, detti mezzi scambiatori di calore essendo collegati a detti mezzi di assorbimento mediante uno o più raccordi, in detti mezzi scambiatori di calore e in detti mezzi di assorbimen to essendo contenuto un fluido in grado di scorrere tra essi attraverso detti uno o più raccordi; il calore assorbito da detti mezzi di assorbimento riscaldando detto fluido, detto fluido circolando tra detti mezzi di assorbimento e detti mezzi scambiatori di calore, riscaldando a sua volta l’acqua di alimento contenuta in detta unità di caldaia. Therefore, the specific object of the present invention is a panel for the production of energy comprising at least one photovoltaic panel suitable for the generation of electricity following the incidence on its surface of a light source; absorption means thermally coupled with said at least photovoltaic panel, said absorption means absorbing the heat dissipated by said at least one photovoltaic panel; and a boiler unit comprising at least one inlet pipe and at least one outlet pipe of the feed water and heat exchanger means, said heat exchanger means being connected to said absorption means by one or more fittings, in said exchanger means of heat and in said absorption means there being contained a fluid capable of flowing therebetween through said one or more fittings; the heat absorbed by said absorption means by heating said fluid, said fluid circulating between said absorption means and said heat exchanger means, in turn heating the feed water contained in said boiler unit.
Sempre secondo l’invenzione, detto pannello può comprendere una turbina interposta nel collegamento tra detti mezzi di assorbimento e detti mezzi scambiatori di calore, detta turbina a seguito del passaggio di detto fluido generando una corrente elettrica. Still according to the invention, said panel can comprise a turbine interposed in the connection between said absorption means and said heat exchanger means, said turbine following the passage of said fluid generating an electric current.
Ancora secondo l’invenzione, detto fluido può essere diatermico. Still according to the invention, said fluid can be diathermic.
Ulteriormente secondo l’invenzione, detti mezzi di assorbimento possono comprendere una serpentina che può essere preferibilmente realizzata in lega di rame/titanio. Further according to the invention, said absorption means can comprise a coil which can preferably be made of copper / titanium alloy.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto pannello può comprendere una struttura di contenimento metallica atta al contenimento di detta caldaia e di detti mezzi di assorbimento. Advantageously according to the invention, said panel can comprise a metal containment structure suitable for containing said boiler and said absorption means.
Sempre secondo l’invenzione, detto pannello può comprendere mezzi isolanti atti ad isolare termicamente il circuito termico dato da detti mezzi di assorbimento e detta caldaia. Still according to the invention, said panel can comprise insulating means suitable for thermally insulating the thermal circuit given by said absorption means and said boiler.
Ancora secondo l’invenzione, detti mezzi isolanti possono essere realizzati in poliuretano. Still according to the invention, said insulating means can be made of polyurethane.
Preferibilmente secondo l’invenzione, detti mezzi isolanti possono comprendere un primo pannello collocato in corrispondenza di detti mezzi di assorbimento, un secondo pannello collocato in corrispondenza di detta caldaia, una cornice ed un terzo pannello. Preferably according to the invention, said insulating means can comprise a first panel located at said absorption means, a second panel located at said boiler, a frame and a third panel.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto pannello può comprendere un coperchio metallico posteriore di chiusura. Advantageously according to the invention, said panel can comprise a rear metal closing cover.
La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo la sua preferita forma di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: la figura 1 mostra una vista prospettica esplosa di un pannello ad alto rendimento per la produzione di energia, secondo la presente invenzione; The present invention will now be described for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiment, with particular reference to the figures of the attached drawings, in which: Figure 1 shows an exploded perspective view of a high-performance panel for production of energy, according to the present invention;
la figura 2 mostra una vista prospettica di un pannello secondo la figura 1; figure 2 shows a perspective view of a panel according to figure 1;
la figura 3 mostra un grafico in cui è raffigurato l’andamento della temperatura dell’acqua al variare della potenza erogata dal pannello per la produzione di energia, oggetto della presente invenzione; e Figure 3 shows a graph showing the trend of the water temperature as the power delivered by the panel for the production of energy, object of the present invention, varies; And
la figura 4 mostra una tabella ed il relativo grafico, in cui sono riportate una serie di misure di funzionamento nel tempo del pannello secondo l’invenzione. Figure 4 shows a table and relative graph, which show a series of operating measurements over time of the panel according to the invention.
Facendo riferimento alla figura 1 è possibile osservare un pannello 1 ad alto rendimento per la produzione di energia secondo la presente invenzione. Referring to Figure 1, it is possible to observe a high-performance panel 1 for the production of energy according to the present invention.
Il pannello 1 comprende principalmente un pannello fotovoltaico 2 posteriormente al quale è collocato un elemento di assorbimento 3. Detto elemento di assorbimento 3 è preferibilmente una serpentina realizzata in lega di rame/titanio. The panel 1 mainly comprises a photovoltaic panel 2 behind which an absorption element 3 is placed. Said absorption element 3 is preferably a coil made of copper / titanium alloy.
Il pannello 1 comprende inoltre una caldaia 4 all’interno della quale è presente l’acqua da riscaldare. Detta caldaia 4 comprende uno scambiatore di calore 5 ed una coppia di tubi 6a, 6a’ rispettivamente per l’ingresso e l’uscita dell’acqua di alimento della caldaia 4 stessa. Panel 1 also includes a boiler 4 inside which there is the water to be heated. Said boiler 4 comprises a heat exchanger 5 and a pair of pipes 6a, 6a 'respectively for the inlet and outlet of the feed water of the boiler 4 itself.
La caldaia 2 è collocata all’interno di una struttura di contenimento 7, preferibilmente metallica. Detta struttura di contenimento 7 comprende due fori 6b, 6b’ attraverso i quali, quando la caldaia 2 è collocata all’interno di detta struttura di contenimento 7, possono passare i due tubi 6a, 6a’. The boiler 2 is placed inside a containment structure 7, preferably metal. Said containment structure 7 includes two holes 6b, 6b 'through which, when the boiler 2 is placed inside said containment structure 7, the two pipes 6a, 6a' can pass.
Lo scambiatore di calore 5 è collegato mediante un raccordo all’elemento di assorbimento 3. L’elemento di assorbimento 3 e lo scambiatore di calore 5 comprendono al loro interno un fluido diatermico. The heat exchanger 5 is connected by means of a fitting to the absorption element 3. The absorption element 3 and the heat exchanger 5 comprise a diathermic fluid inside them.
Si osserva anche che nel collegamento idraulico tra l’elemento di assorbimento 3 e lo scambiatore di calore 5 è installata una turbina 8. It is also observed that a turbine 8 is installed in the hydraulic connection between the absorption element 3 and the heat exchanger 5.
Tra la struttura di contenimento 7 e l’elemento di assorbimento 3 è interposta una prima protezione o pannello isolante in poliuretano 10. Una seconda protezione isolante in poliuretano 11 è invece collocata tra la struttura di contenimento 7 e la caldaia 4. Si osservino anche su detta prima e detta seconda protezione isolante i fori 10’ ed 11’ per il passaggio del raccordo 9. Between the containment structure 7 and the absorption element 3 a first polyurethane insulating protection or panel 10 is interposed. A second insulating polyurethane protection 11 is instead placed between the containment structure 7 and the boiler 4. Also observe on said first and said second insulating protection the holes 10 'and 11' for the passage of the fitting 9.
Infine, il pannello 1 comprende posteriormente una cornice di isolante in poliuretano 12, una terza protezione isolante in poliuretano 13 ed un coperchio metallico 14 di chiusura. Finally, the panel 1 comprises at the rear a polyurethane insulating frame 12, a third insulating polyurethane protection 13 and a metal closing cover 14.
Il funzionamento del pannello è il seguente. A seguito dell’incidenza del sole sulla superficie il pannello fotovoltaico 2 produce energia elettrica. The operation of the panel is as follows. Following the incidence of the sun on the surface, the photovoltaic panel 2 produces electricity.
Contemporaneamente, il calore dissipato dal pannello fotovoltaico 2 sia per irraggiamento che per la legge di Ohm è assorbito dall’elemento di assorbimento 3, che, scaldandosi, scalda il liquido diatermico al suo interno. At the same time, the heat dissipated by the photovoltaic panel 2 both by radiation and by Ohm's law is absorbed by the absorption element 3, which, by heating up, heats the diathermic liquid inside.
Il liquido diatermico riscaldato aumenta di volume, generando una pressione che ne attiva la circolazione nello scambiatore di calore 5 della caldaia 4. The heated diathermic liquid increases in volume, generating a pressure that activates its circulation in the heat exchanger 5 of the boiler 4.
Prima di entrare nello scambiatore di calore 5 il liquido diatermico passa nella turbina 8 producendo energia elettrica. Before entering the heat exchanger 5, the diathermic liquid passes into the turbine 8 producing electrical energy.
Il fluido diatermico nella caldaia 4 scambia, per mezzo di detto scambiatore di calore 5, la sua temperatura con l’acqua della caldaia 4 raffreddandosi e perdendo pressione. The diathermic fluid in the boiler 4 exchanges, by means of said heat exchanger 5, its temperature with the water of the boiler 4, cooling and losing pressure.
Il circuito termico dato dall’elemento di assorbimento 3, lo scambiatore di calore 5 e la caldaia 4 sono chiusi in modo ermetico. Pertanto, il riscaldamento e lo scambio termico della caldaia 4 consentono una pressione ed una depressione che attivano una circolazione naturale senza nessuna alimentazione forzata. The thermal circuit given by the absorption element 3, the heat exchanger 5 and the boiler 4 are hermetically closed. Therefore, the heating and heat exchange of the boiler 4 allow a pressure and a depression which activate a natural circulation without any forced feeding.
La circolazione naturale si fermerà solo quando le temperature si saranno equilibrate, in quel caso l’acqua avrà raggiunto la sua massima temperatura. Natural circulation will stop only when the temperatures have balanced, in which case the water will have reached its maximum temperature.
Si osserva come il rendimento energetico del pannello fotovoltaico 1 sia dato dai seguenti fattori: It is observed that the energy efficiency of the photovoltaic panel 1 is given by the following factors:
• recupero dell’energia termica dissipata dal pannello fotovoltaico 2 per mezzo dell’elemento di assorbimento 3 ed utilizzato per scaldare l’acqua della caldaia 4; • recovery of the thermal energy dissipated by the photovoltaic panel 2 by means of the absorption element 3 and used to heat the water in the boiler 4;
• recupero dell’energia data dal moto del liquido diatermico di circolazione tra detto elemento di assorbimento 3 e detto scambiatore di calore 5 viene recuperata mediante la turbina 8 (una microturbina), che lo trasforma in energia elettrica. • recovery of the energy given by the motion of the diathermic liquid circulating between said absorption element 3 and said heat exchanger 5 is recovered by means of the turbine 8 (a microturbine), which transforms it into electrical energy.
Nella figura 2 si osserva un pannello 1, in cui si distingue facilmente il pannello fotovoltaico 2, i tubi 6a e 6a’ dell’acqua di alimento della caldaia 4 e i connettori elettrici 15 di uscita. Figure 2 shows a panel 1, in which you can easily distinguish the photovoltaic panel 2, the pipes 6a and 6a 'of the boiler feed water 4 and the electrical outlet connectors 15.
Si osserva anche una struttura di supporto 16 del pannello 1. A support structure 16 of the panel 1 is also observed.
Riferendoci ora alla figura 3, si osserva un grafico in cui è riportato l’andamento della temperatura dell’acqua al variare della potenza erogata dal pannello 1 oggetto della presente invenzione. Si evince chiaramente come la temperatura dell’acqua della caldaia vari in modo sostanzialmente lineare con la temperatura, ottenendo, per temperature minori di 70 °C, potenze dell’ordine dei 60 Watt. Referring now to Figure 3, we see a graph showing the trend of the water temperature as the power delivered by the panel 1 object of the present invention varies. It is clear how the temperature of the boiler water varies substantially linearly with the temperature, obtaining, for temperatures below 70 ° C, powers of the order of 60 Watts.
Infine, la figura 4 mostra una serie di misure effettuate su un prototipo di pannello 1 secondo l’invenzione, in cui sono riportate le temperature esterna al pannello 1, la temperatura interna al pannello 1, la potenza e la corrente erogate e la tensione ottenuta, in funzione del tempo. Il prototipo di pannello fotovoltaico 1 e' di una potenza di 60 watt ma la produzione elettrica. Si osserva che la potenza non ha mai superato i 30 watt (si consideri che le prove sono state fatte in periodo invernale). Finally, figure 4 shows a series of measurements carried out on a prototype panel 1 according to the invention, in which the temperatures outside the panel 1, the temperature inside the panel 1, the power and current supplied and the voltage obtained are reported. , as a function of time. The prototype of photovoltaic panel 1 is of a power of 60 watts but the electricity production. It is observed that the power never exceeded 30 watts (consider that the tests were done in winter).
Inoltre, si osserva che con l'aumentare dell'energia elettrica tende ad aumentare anche la temperatura all'interno del pannello 1. L'entrata in funzione del sistema, poi, e' rapidissima (in 10 minuti la temperatura ha raggiunto i oltre 55 gradi). Furthermore, it is observed that with increasing electricity the temperature inside panel 1 also tends to increase. The system starts up very quickly (in 10 minutes the temperature reached over 55 degrees).
Il pannello per la produzione di energia secondo l’invenzione può essere accoppiato ad altri pannelli rendendo l’impianto modulare. The panel for the production of energy according to the invention can be coupled to other panels making the system modular.
Sulla base della descrizione precedente, si può osservare che la caratteristica fondamentale della presente invenzione è data dalla combinazione di un pannello fotovoltaico ed una caldaia sistemata in modo da utilizzare il calore dissipato dal pannello fotovoltaico per la produzione di acqua calda. Inoltre, la pressione del fluido nello scambiatore della caldaia è sfruttata per azionare una microturbina in grado di produrre energia elettrica. On the basis of the previous description, it can be observed that the fundamental characteristic of the present invention is given by the combination of a photovoltaic panel and a boiler arranged in such a way as to use the heat dissipated by the photovoltaic panel for the production of hot water. Furthermore, the pressure of the fluid in the boiler exchanger is exploited to drive a microturbine capable of producing electricity.
Un vantaggio della presente invenzione è che dall’energia solare è possibile ricavare contemporaneamente sia energia elettrica sia termica, aumentando così il rendimento energetico complessivo. An advantage of the present invention is that from solar energy it is possible to obtain both electrical and thermal energy at the same time, thus increasing the overall energy efficiency.
Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è che il funzionamento del pannello non è soggetto a variabilità atmosferica, producendo energia anche in condizioni di scarsa luce solare o di incidenza non diretta della stessa. A further advantage of the present invention is that the operation of the panel is not subject to atmospheric variability, producing energy even in conditions of poor sunlight or of non-direct incidence thereof.
È ancora un vantaggio della presente invenzione il fatto che la nel pannello può essere impiegato qualsiasi tipo di pannello fotovoltaico. It is still an advantage of the present invention that any type of photovoltaic panel can be used in the panel.
La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo le sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle The present invention has been described for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, but it is to be understood that variations and / or modifications may be made by those skilled in the art without thereby departing from the relative scope of protection, such as defined by
rivendicazioni allegate. claims attached.
Claims (13)
Priority Applications (2)
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