MD4902C1 - Sistem de panouri solare fotovoltaice termice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la energetică şi heliotehnică, în special la sisteme de panouri solare fotovoltaice termice, şi poate fi utilizată pentru încălzirea lichidelor.Sistemul, conform invenţiei, conţine panouri solare fotovoltaice termice (1, 2, 3), conectate în paralel între ele şi la un acumulator de apă fierbinte (AF) prin conducte de apă rece (4) şi de apă fierbinte (5). În conducta de apă rece (4) este inclusă o pompă (8), acţionată de un motor electric (M1), iar la conductele de apă rece (4) şi de apă fierbinte (5), printr-o conductă (10), este conectat un radiator (9) cu un ventilator (11), acţionat de un motor electric (M2). În conductele de apă rece (4) şi de apă fierbinte (5) sunt instalate valve electromagnetice (6, 7), corespunzător. Motoarele electrice (M1, M2) şi valvele electromagnetice (6, 7) sunt unite cu un sistem de control (SC), care conţine un senzor de temperatură a apei reci (ST2), amplasat la ieşirea din acumulator (AF), şi un senzor de temperatură a apei fierbinţi (ST1), amplasat la intrarea în acumulator (AF). Sistemul de control (SC) include un bloc de comparaţie a temperaturii presetate cu temperatura reală a apei fierbinţi din acumulator (AF).

Description

Invenţia se referă la energetică şi heliotehnică, în special la sisteme de panouri solare fotovoltaice 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/m2conduce 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 (The Effect of Temperature on Photovoltaic Cell Efficiency V. Jafari Fesharaki, Majid Dehghani, J. Jafari Fesharaki, Department of Electrical Engineering, Najaf Abad Branch, Islamic Azad University, Najaf Abad, Iran. Proceedings of the 1st International Conference on Emerging Trends in Energy Conservation - ETEC, Tehran, 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 într-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].

Dezavantajul soluţiei cunoscute constă în imposibilitatea menţinerii temperaturii scăzute în sistemul PVT. Apa fierbinte este acumulată în rezervorul de acumulare a apei calde, în care temperatura pe parcursul zilei se ridică aproape de temperatura panourilor, răcirea lor se opreşte din cauza lipsei circulaţiei apei, generate de lipsa diferenţei de temperatura apei la intrare şi celei la ieşire şi, în consecinţă, egalării densităţii apei la intrare şi ieşire.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea răcirii panourilor fotovoltaice termice şi sporirea eficienţei lor de generare a energiei electrice la un nivel înalt în timpul radiaţiei solare maxime prin răcirea suplimentară a lichidului răcitor.

Sistemul de panouri solare fotovoltaice termice, conform invenţiei, conţine panouri solare fotovoltaice termice, conectate în paralel între ele şi la un acumulator de apă fierbinte prin conducte de apă rece şi de apă fierbinte. În conducta de apă rece este inclusă o pompă, acţionată de un motor electric, iar la conductele de apă rece şi de apă fierbinte, printr-o conductă, este conectat un radiator cu un ventilator, acţionat de un motor electric. În conductele de apă rece şi de apă fierbinte sunt instalate valve electromagnetice, corespunzător. Motoarele electrice şi valvele electromagnetice sunt unite cu un sistem de control, care conţine un senzor de temperatură a apei reci, amplasat la ieşirea din acumulator, şi un senzor de temperatură a apei fierbinţi, amplasat la intrarea în acumulator. Sistemul de control include un bloc de comparaţie a temperaturii presetate cu temperatura reală a apei fierbinţi din acumulator.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în obţinerea apei fierbinţi simultan cu generarea energiei electrice şi răcirii PVT.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă schema sistemului de panouri solare fotovoltaice termice.

Sistemul de panouri solare fotovoltaice termice (vezi figura) conţine panourile solare fotovoltaice termice 1, 2, 3, conectate în paralel între ele şi la acumulatorul de apă fierbinte AF prin conductele de apă rece 4 şi de apă fierbinte 5. În conducta de apă rece 4 este inclusă pompa 8, acţionată de motorul electric M1, iar la conductele de apă rece 4 şi de apă fierbinte 5, prin conducta 10, este conectat radiatorul 9 cu ventilatorul 11, acţionat de motorul electric M2. În conductele de apă rece 4 şi de apă fierbinte 5 sunt instalate valvele electromagnetice 6, 7, corespunzător. Motoarele electrice M1, M2 şi valvele electromagnetice 6, 7 sunt unite cu sistemul de control SC, care conţine senzorul de temperatură a apei reci ST2, amplasat la ieşirea din acumulatorul AF, şi senzorul de temperatură a apei fierbinţi ST1, amplasat la intrarea în acumulatorul AF. Sistemul de control SC include blocul de comparaţie a temperaturii presetate cu temperatura reală a apei fierbinţi din acumulatorul AF.

Sistemul de panouri solare fotovoltaice termice funcţionează în modul următor.

Iniţial acumulatorul de apă fierbinte AF este umplut cu apă rece şi totodată sunt umplute panourile solare fotovoltaice termice 1, 2, 3 prin conductele de apă rece 4 şi de apă fierbinte 5, şi valva 7. Pompa 8, acţionată de motorul electric M1, pune în circulaţie apa în sistem. Motorul electric M1 pune în funcţiune pompa 8 la comanda sistemului de control SC, când temperaturile apei la intrarea în acumulatorul AF şi la iesirea lui sunt minime, şi egale între ele. Temperatura apei la intrarea în acumulatorul AF este măsurată de senzorul ST1, iar la ieşirea lui - de senzorul ST2. Valva 6 este închisă, iar valva 7 - deschisă.

Odată cu creşterea temperaturii apei din sistem, pompa 8 continuă să funcţioneze până la atingerea temperaturii maxime a apei, şi diferenţei minime stabilite dintre temperatura ei la intrarea în acumulatorul AF şi la ieşirea lui. La comanda sistemului de control SC se deschide valva 6 şi se închide valva 7, se porneşte motorul electric M2, care pune în operare ventilatorul 11. Apa începe a circula pe conturul mic prin radiatorul 9 şi conducta 10, ocolind acumulatorul AF. Apa fierbinte din acumulatorul AF trece în regim de păstrare, iar cea din conturul mic este răcită suplimentar în radiatorul 9 de aerul, mişcat de ventilatorul 11. În aşa mod se obţine apa fierbinte de la răcirea panourilor 1, 2, 3, şi se ridică eficienţa generării energiei electrice de ele.

Calculele arată că majorarea medie anuală a generării energiei electrice de 1 m2de panou fotovoltaic termic, în rezultatul implementării invenţiei, în condiţiile Europei de sud şi sud-est, constituie minim 81,0 kWh/m2sau 518,400 kWh/an a unui parc fotovoltaic cu puterea de 1,0 MWp.

1. MD 4692 B1 2020.04.30

Claims (1)

1. Sistem de panouri solare fotovoltaice termice, care conţine panouri solare fotovoltaice termice (1, 2, 3), conectate în paralel între ele şi la un acumulator de apă fierbinte (AF) prin conducte de apă rece (4) şi de apă fierbinte (5), în conducta de apă rece (4) fiind inclusă o pompă (8), acţionată de un motor electric (M1), iar la conductele de apă rece (4) şi de apă fierbinte (5), printr-o conductă (10), este conectat un radiator (9) cu un ventilator (11), acţionat de un motor electric (M2), totodată în conductele de apă rece (4) şi de apă fierbinte (5) sunt instalate valve electromagnetice (6, 7), corespunzător; motoarele electrice (M1, M2) şi valvele electromagnetice (6, 7) sunt unite cu un sistem de control (SC), care conţine un senzor de temperatură a apei reci (ST2), amplasat la ieşirea din acumulator (AF), şi un senzor de temperatură a apei fierbinţi (ST1), amplasat la intrarea în acumulator (AF), totodată sistemul de control (SC) include un bloc de comparaţie a temperaturii presetate cu temperatura reală a apei fierbinţi din acumulator (AF).