MD4873C1 - Sistem solar termic - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la energetică şi heliotehnică, în special la sisteme solare termice, şi poate fi utilizată pentru încălzirea lichidelor.Sistemul, conform invenţiei, conţine panouri fotovoltaice termice (1, 2, 3), conectate la o conductă cu lichid rece (4) şi o conductă cu lichid cald (5), unite cu o pompă (8) şi conectate la un evaporator al unei pompe de căldură (PC) prin intrări (6, 7). Ieşirile (9, 10) evaporatorului pompei de căldură (PC) sunt conectate la un schimbător de căldură (11) al unui vas de acumulare a lichidului cald menajer (12) prin conducte (13, 14), care sunt conectate prin conducte (15, 16) şi o pompă (19) la un schimbător de căldură (17) al unui vas de acumulare a lichidului cald pentru încălzire (18), al doilea schimbător de căldură (20) al căruia este conectat prin conducte (22, 23) şi o pompă (24) la un sistem de încălzire (21).

Description

Invenţia se referă la energetică şi heliotehnică, în special la sisteme solare termice, şi poate fi utilizată pentru încălzirea lichidelor.

Puterea celulelor fotovoltaice variază în funcţie de temperatură, în special tensiunea, care este sensibilă la variaţia temperaturii. Creşterea temperaturii de la 10°C la 70°C la insolaţia de 1000 W/m2 conduce la scăderea eficienţei celulelor fotovoltaice cu 73 %. Conform calculelor pentru sudul Europei, pierderile anuale de energie, generate de creşterea temperaturii celulelor, constituie 9…12 % în instalaţii detaşate şi depăşeşte 16 % în sisteme integrate pe acoperişul caselor, iar pentru sudul Asiei, acestea depăşesc 16 % în instalaţii detaşate şi 18 % în sisteme integrate pe acoperişul caselor (V. Jafari Fesharaki, Majid Dehghani, J. Jafari Fesharaki, Department of Electrical Engineering, Najaf Abad Branch, Islamic Azad University, Najaf Abad, Iran. The Effect of Temperature on Photovoltaic Cell Efficiency, Proceedings of the 1st International Conference on Emerging Trends in Energy Conservation - ETEC, Tehran, Iran, 20-21 November 2011).

Un panou fotovoltaic (PV) tipic converteşte în energie electrică 6…20 % din radiaţia solară incidentă, în funcţie de tipul de celule solare şi condiţiile climatice. Restul radiaţiei solare, care este semnificativă, se transformă în căldură. Această căldură poate fi extrasă prin mişcarea apei/aerului sub panoul fotovoltaic cu ajutorul colectorilor termici, denumiţi panouri fotovoltaice termice (PVT). Eficienţa mai mare a siliciului cristalin (c-Si) va rezulta o eficienţă electrică mai mare şi o valoare mai mare a raportului electric-termic al PVT. La temperatura scăzută la zero panoul PVT cu celule c-Si a demonstrat eficienţa majorată cu 55%.

Comparaţia unui panou PV convenţional, a unui panou PV neacoperit cu sticlă şi a unui panou PV acoperit cu sticlă cu aceleaşi module transformate în PVT a arătat că eficienţa electrică medie anuală a crescut respectiv cu 7,2%, 7,6% şi 6,6%.

Un sistem de PV laminat, integrat pe acoperişul unei case şi unit la un rezervor cu apă a asigurat o reducere a temperaturii cu aproximativ 20°C, raportat la un sistem convenţional, şi a condus la o creştere de 9…12% a randamentului electric (Swapnil Dubey, Jatin Narotam Sarvaiya, Bharath Seshadri. Temperature Dependent Photovoltaic (PV) Efficiency and Its Effect on PV Production in the World - A Review, PV Asia Pacific Conference 2012).

Aplicarea unui sistem de răcire la un panou PV reduce costul energiei solare în trei direcţii. În primul rând, răcirea măreşte cantitatea energiei electrice produse, în al doilea rând, aceasta măreşte termenul de viaţă a sistemelor de PV prin protejarea celulelor fotovoltaice de temperaturi înalte, care provoacă daune ireversibile. În cele din urmă, căldura extrasă de la răcirea PV poate fi utilizată pentru încălzirea sau răcirea clădirilor sau încălzirea apei menajere.

Deşi PVT-urile prezintă o opţiune promiţătoare de menţinere a temperaturii scăzute a panourilor PV, utilizarea răcirii pe bază de fluid este considerată a fi cea mai puţin costisitoare metodă de îmbunătăţire a performanţei panoului fotovoltaic. Temperatura lichidului de răcire la ieşirea din panoul PV este mai mare decât cea de la intrare, urmare a schimbului de căldură între partea din spate a panoului şi conductele cu apă. Prin urmare, temperatura lichidului în ţevi creşte treptat de la intrare la ieşire, rezultând într-un panou fotovoltaic răcit neuniform. Cu alte cuvinte, fiecare celulă fotovoltaică din panou are o temperatură de funcţionare diferită, ceea ce conduce la caracteristici diferite a fiecărei celule. Distribuţia neuniformă a temperaturii de funcţionare a celulelor fotovoltaice conduce la variaţia eficienţei lor de la 14% a celulelor nerăcite, la 16% a celulelor răcite. Cele mai bune rezultate de răcire sunt obţinute la o densitate mai înaltă a tuburilor de răcire legate în paralel între ele (Anas Al Tarabsheh, Spyrοs Voutetakis, Athanasios Ι. Papadopoulos, Panos Seferlis, Issa Etier, Omar Saraereh. Investigation of Temperature Effects in Efficiency Improvement of Non-Uniformly Cooled Photovoltaic Cells, Chemical Engineering Transaction, vol. 35, 2013, The Italian Association of Chemical Engineering).

Măsurările arată că puterea generării energiei electrice a unui panou scade de 1,78 ori la creşterea temperaturii între 0…100°C în rezultatul încălzirii celulelor fotovoltaice, de aceea este necesară menţinerea temperaturii cât mai scăzute a celulelor. Generarea energiei electrice are un potenţial de creştere de 12…15%, iar potenţialul energetic total al panourilor poate atinge 86% - energie electrică şi termică (Popescu A., Panaite C. E., Stadoleanu O. V. Combined Photovoltaic and Thermal Solar Panels - Enhanced Energy Conversion and Heat Transfer, Thermal Engineering, nr. 2/2013).

În calitate de cea mai apropiată soluţie este prezentată o instalaţie fotovoltaică, care conţine un panou fotovoltaic termic, format din celule fotovoltaice, conectate electric între ele, conducte de apă rece şi caldă, şi un rezervor de acumulare a apei calde, totodată pe conducta de apă rece este instalată o pompă, unită cu un motor, alimentat de la panoul fotovoltaic termic. Apa rece este pompată în rezervorul de acumulare a apei calde prin panoul fotovoltaic, în care se încălzeşte [1].

Dezavantajele soluţiei cunoscute constau în eficienţa de răcire joasă din cauza încălzirii apei pe parcursul zilei însorite, în special când temperatura apei din panoul fotovoltaic termic se egalează cu temperatura apei din rezervorul de acumulare a apei calde.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea răcirii panourilor fotovoltaice termice şi sporirea eficienţei de asigurare a consumatorului cu apă caldă şi încălzire, indiferent de anotimp.

Sistemul solar termic, conform invenţiei, conţine panouri fotovoltaice termice, conectate la o conductă cu lichid rece şi o conductă cu lichid cald, unite cu o pompă şi conectate la un evaporator al unei pompe de căldură prin intrări. Ieşirile evaporatorului pompei de căldură sunt conectate la un schimbător de căldură al unui vas de acumulare a lichidului cald menajer prin conducte, care sunt conectate prin conducte şi o pompă la un schimbător de căldură al unui vas de acumulare a lichidului cald pentru încălzire, al doilea schimbător de căldură al căruia este conectat prin conducte şi o pompă la un sistem de încălzire. Vasul de acumulare a lichidului cald menajer este dotat cu o conductă de debitare a lichidului rece, o conductă de evacuare a lichidului cald şi un releu de temperatură. Vasul de acumulare a lichidului cald pentru încălzire este dotat cu un releu de temperatură, iar conducta cu lichid cald este dotată cu un releu de temperatură.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în sporirea eficienţei de asigurare a consumatorului cu apă caldă şi încălzire, indiferent de anotimp.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă schema sistemului solar termic.

Sistemul solar termic (vezi figura) conţine panourile fotovoltaice termice 1, 2, 3, conectate la conducta cu lichid rece 4 şi conducta cu lichid cald 5, unite cu pompa 8 şi conectate la evaporatorul pompei de căldură PC prin intrările 6, 7. Ieşirile 9, 10 ale evaporatorului pompei de căldură PC sunt conectate la schimbătorul de căldură 11 al vasului de acumulare a lichidului cald menajer 12 prin conductele 13, 14, care sunt conectate prin conductele 15, 16 şi pompa 19 la schimbătorul de căldură 17 al vasului de acumulare a lichidului cald pentru încălzire 18, al doilea schimbător de căldură 20 al căruia este conectat prin conductele 22, 23 şi pompa 24 la sistemul de încălzire 21. Vasul de acumulare a lichidului cald menajer 12 este dotat cu conducta de debitare a lichidului rece 25, conducta de evacuare a lichidului cald 26 şi releul de temperatură 28. Vasul de acumulare a lichidului cald pentru încălzire 18 este dotat cu releul de temperatură 29, iar conducta cu lichid cald 5 este dotată cu releul de temperatură 27.

Sistemul solar termic funcţionează în modul următor.

Iniţial sistemul este umplut cu lichid antigel: primul contur include panourile 1, 2, 3, conducta cu lichid rece 4, conducta cu lichid cald 5, releul de temperatură 27, ieşirile 9, 10 ale evaporatorului pompei de căldură PC şi pompa 8, al doilea contur include ieşirile 9, 10 ale evaporatorului pompei de căldură PC, pompa 19, conductele 13, 14, schimbătorul de căldură 11, conductele 15, 16 şi schimbătorul de căldură 17. Indiferent de vreme (soare, înnourat, vara sau iarna) sistemul funcţionează. Când este soare, pe timpul verii de exemplu, sistemul este pornit. Radiaţia solară incălzeşte panourile 1, 2, 3. Releul 27 ţine conducta 4 deschisă. Pompa 8 pune în circulaţie lichidul antigel prin conductele 4, 5, panourile 1, 2, 3 şi evaporatorul pompei de căldură PC prin intrările 6, 7. Lichidul din circuit se răceşte, micşorând temperatura de funcţionare a panourilor 1, 2, 3 şi menţinând eficienţa lor la un nivel înalt. La atingerea temperaturii joase prestabilite, releul de temperatură 27 deconectează sistemul. Căldura absorbită este transmisă circuitului evaporatorului pompei de căldură PC prin ieşirile 9, 10, pompa 19, conducta 14, schimbătorul de căldură 11, şi conducta 13. În sezonul cald al anului vasul de acumulare a lichidului cald pentru încălzire 18 este blocat. Datorită schimbului de căldură, temperatura lichidului în vasul de acumulare a lichidului cald menajer 12 se ridică. Lichidul rece pătrunde în vasul 12 prin conducta de debitare a lichidului rece 25, şi fiind încălzit, este utilizat prin conducta de evacuare a lichidului cald 26. La atingerea temperaturii prestabilite a lichidului din vasul 12, sistemul se deconectează. Pe timp de noapte sau înnourări sistemul funcţionează fără radiaţie solară. Panourile 1, 2, 3 servesc în calitate de colectoare de căldură din mediu. Ca şi în cazul precedent, pompa 8 pune în circulaţie lichidul antigel prin conductele 4, 5, panourile 1, 2, 3 şi evaporatorul pompei de căldură PC prin intrările 6, 7. Lichidul din circuit se răceşte. Căldura absorbită este transmisă circuitului evaporatorului pompei de căldură PC prin ieşirile 9, 10, pompa 19, conducta 14, schimbătorul de căldură 11, şi conducta 13. Datorită schimbului de căldură, temperatura lichidului în vasul de acumulare a lichidului cald menajer 12 se ridică. Lichidul rece pătrunde în vasul 12 prin conducta de debitare a lichidului rece 25, şi fiind încălzit, este utilizat prin conducta de evacuare a lichidului cald 26. Diferenţa dintre regimurile descrise constă în aceea, că pe timpul radiaţiei solare puternice eficienţa pompei de căldură PC este mai înaltă decât cea fară soare. În sezonul rece al anului vasul 18 este deblocat. Lichidul cald de la evaporatorul pompei de căldură PC prin ieşirile 9, 10, pompa 19, conducta 14, schimbătorul de căldură 11, şi conducta 13, încălzeşte lichidul în vasul 12. Paralel cu acest circuit este inclus şi circuitul, care include conducta 15, schimbătorul de căldură 17, şi conducta 16. Datorită circulaţiei lichidului cu ajutorul pompei 24 în conturul, care include schimbătorul de căldură 20, pompa 24, conducta 23, sistemul de încălzire 21 şi conducta 22, căldura este transmisă din vasul 18 spre sistemul de încălzire 21.

Astfel, sistemul asigură consumatorul cu apă caldă şi încălzire, indiferent de anotimp şi insolaţie, asigurând o eficienţă înaltă.

1. MD 4692 B1 2020.04.30

Claims (1)

1. Sistem solar termic, care conţine panouri fotovoltaice termice (1, 2, 3), conectate la o conductă cu lichid rece (4) şi o conductă cu lichid cald (5), unite cu o pompă (8) şi conectate la un evaporator al unei pompe de căldură (PC) prin intrări (6, 7), ieşirile (9, 10) evaporatorului pompei de căldură (PC) fiind conectate la un schimbător de căldură (11) al unui vas de acumulare a lichidului cald menajer (12) prin conducte (13, 14), care sunt conectate prin conducte (15, 16) şi o pompă (19) la un schimbător de căldură (17) al unui vas de acumulare a lichidului cald pentru încălzire (18), al doilea schimbător de căldură (20) al căruia este conectat prin conducte (22, 23) şi o pompă (24) la un sistem de încălzire (21); vasul de acumulare a lichidului cald menajer (12) este dotat cu o conductă de debitare a lichidului rece (25), o conductă de evacuare a lichidului cald (26) şi un releu de temperatură (28); vasul de acumulare a lichidului cald pentru încălzire (18) este dotat cu un releu de temperatură (29), iar conducta cu lichid cald (5) este dotată cu un releu de temperatură (27).