PL218687B1 - Kolektor słoneczny - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kolektor słoneczny z bateriami fotowoltaicznymi, stanowiący przetwornik energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną i w energię cieplną.

Znane są różnego rodzaju konstrukcje kolektorów słonecznych wykorzystujących przemianę promieniowania świetlnego na energię cieplną.

Z polskiego opisu patentowego nr 203881 znany jest zintegrowany moduł fotowoltaiczny z kolektorem ciepła słonecznego składający się z ogniw fotowoltaicznych osadzonych wewnątrz pokrywy transparentnej zamocowanej w ramie modułu, z wymiennika ciepła w postaci komory wodnej umiejscowionej pomiędzy pokrywą transparentną z ogniwami fotowoltaicznymi a płytą adsorpcyjną posadowioną na płycie metalowej dna modułu.

Z patentu europejskiego nr PL/EP 1 636 527 znany jest kolektor słoneczny korzystnie o prostokątnej ramie, w której osadzony jest absorber na warstwie izolacji, panel pokrywy usytuowany z pewnym odstępem ponad absorberem oraz warstwa elastycznego szczeliwa klejącego, spinająca odstęp pomiędzy panelem pokrywy a absorberem i łącząca obrzeże panelu pokrywy z występami posadowionymi pomiędzy panelem bocznym ramy zewnętrznej a panelem pokrywy.

Z polskiego zgłoszenia wynalazku nr P.364190 pt. „Sposób i układ zwiększenia sprawności hybrydowego systemu solarnego znany jest kolektor słoneczny, którego moduły fotowoltaiczne umieszczone są bezpośrednio na radiatorze. Radiator ten połączony jest z cieczowym kolektorem słonecznym, którego płyn roboczy w swoim powrotnym obiegu, po oddaniu ciepła jest schłodzony i powraca na wejście kolektora przez radiator.

Znane ze stanu techniki kolektory fotowoltaiczne pracujące jako przetworniki energii słonecznej posiadają skomplikowane konstrukcje wymagające znaczne ilości czasu na ich wytworzenie. Znane kolektory posiadają stosunkowo niskie sprawności energetyczne w przetwarzaniu energii słonecznej w energię cieplną lub w energię elektryczną. Podstawową wadą znanego kolektora ze zgłoszenia

P.364190 jest montaż modułów fotowoltaicznych bezpośrednio na radiatorze, co znacznie utrudnia wymianę energii oraz modułu w przypadku jego ewentualnego mechanicznego zniszczenia lub zużycia. Szeregowy kształt wężownicy radiatora powoduje znaczne opory przepływu, które się potęgują przy łączeniu kolektorów, zwłaszcza na fakt, iż każdy kolektor ze zgłoszenia nr P.364190 posiada tylko dwa wyprowadzenia hydrauliczne, co znacznie ogranicza połączenie ze sobą więcej niż 2-3 kolektorów. Ponadto ułożenie modułów fotowoltaicznych bezpośrednio na radiatorze pozostawia znaczne ilości powierzchni modułów bez możliwości ich schłodzenia.

Kolektor słoneczny według wynalazku stanowi dowolnego kształtu płaską bryłę przestrzenną, której cała górna powierzchnia od strony zewnętrznej wypełniona jest wieloma celami krzemowymi połączonymi w moduł fotowoltaiczny lub w moduły fotowoltaiczne. Korzystnym kształtem kolektora jest płaski element przestrzenny o podstawie prostokąta. Kolektor słoneczny stanowi przetwornik energii słonecznej na energię elektryczną i na energię cieplną. Kolektor ten posiada generator energii elektrycznej oraz generator energii cieplnej. Jest urządzeniem ko-generacyjnym z możliwością pracy każdego z generatorów niezależnie od siebie.

Kolektor słoneczny zbudowany jest z generatora energii elektrycznej składającego się z modułu fotowoltaicznego posadowionego na absorberze i z generatora energii cieplnej składającego się z dobranej meandrycznie struktury rurowej połączonej bezpośrednio z absorberem. Absorber stanowi absorpcyjna płyta miedziana, której górna powierzchnia posiada powłokę Tinox i do której jest przyklejona za pomocą bezbarwnej silikonowej pasty termoprzewodzącej spodnia powierzchnia modułu fotowoltaicznego. Chłodnicę modułu fotowoltaicznego stanowi meandryczna struktura rurowa, która posiada rurę zbiorczą z ujściem kompensacji w postaci wygięcia i wspornik usztywniający wraz z rurowym wypustem czujnika temperatury. Meandryczna struktura rurowa jest połączona trwale lutem miękkim do spodniej powierzchni absorbera, a wnętrze obudowy kolektora od jego dolnej powierzchni obudowy do dolnej spodniej powierzchni absorbera jest wypełnione dwuwarstwową izolacją.

Moduł fotowoltaiczny jest posadowiony bezpośrednio na górnej płaskiej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej, zabudowanej w płaskiej obudowie kolektora. Spodnia powierzchnia modułu fotowoltaicznego w sposób trwały za pomocą specjalnej pasty termoprzewodzącej o dużej przewodności cieplnej jest przyklejona do górnej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej. Użyta do klejenia pasta termoprzewodząca jest bezbarwna. Moduł fotowoltaiczny jest przyklejony bezpośrednio do absorbera, dla zwiększenia możliwości wykorzystania tej części energii promieniowania słonecznego, która nie

PL 218 687 B1 została pochłonięta przez cele krzemowe modułu fotowoltaicznego, absorpcyjna płyta miedziana absorbera od strony posadowienia modułu fotowoltaicznego jest pokryta powłoką Tinox.

W innej odmianie wynalazku moduł fotowoltaiczny posadowiony jest na płycie laminatu, która swoją całkowitą spodnią powierzchnią styka się bezpośrednio z górną powierzchnią absorpcyjnej płyty miedzianej. Spodnia powierzchnia laminatu w sposób trwały za pomocą specjalnej pasty termoprzewodzącej o dużej przewodności cieplnej jest przyklejona do górnej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej. Warstwa pasty termoprzewodzącej znacznie zwiększa przepływ energii cieplnej z płyty laminatu poprzez absorpcyjną płytę miedzianą do medium przepływającego przez strukturę rurową.

Spodnia powierzchnia absorpcyjnej płyty miedzianej jest bezpośrednio połączona ze strukturą rurową posadowioną w górnej części obudowy kolektora. Dobrana meandrycznie struktura rurowa pozwala na uzyskanie wyższych temperatur nośnika ciepła i równomierny jego odzysk z całej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej. Struktura rurowa posiada układ kompensacji rurowej eliminującej skutki cieplnego rozszerzania rury zbiorczej struktury rurowej, pozwalający na połączenie dwóch do kilkunastu kolektorów w jednym rzędzie. Znaczna ilość połączonych kolektorów usprawnia odbiór ciepła o zbliżonych parametrach ze wszystkich kolektorów, natomiast układ kompensacji rurowej usprawnia montaż baterii kolektorów. Górna powierzchnia struktury rurowej lutem miękkim jest przylutowana do spodniej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej. Powierzchnia lutu znacznie zwiększa odbiór ciepła przez strukturę rurową, chłodząc jednocześnie poprzez absorpcyjną płytę miedzianą absorbera spodnią powierzchnię modułu fotowoltaicznego. Medium przepływającym wewnątrz struktury rurowej stanowi płyn o wysokiej gęstości i o znacznych możliwościach odbioru i przenoszenia ciepła. Korzystnie dla potrzeb niniejszego wynalazku płynem tym jest glikol. W celu zmniejszenia do minimum strat cieplnych, struktura rurowa jest posadowiona i otoczona warstwą izolacji cieplnej. Izolacja nie występuje tylko w miejscu styku powierzchni lutu struktury rurowej z absorpcyjną płytą miedzianą. Izolacją tą wypełniona jest cała pozostała przestrzeń wewnątrz obudowy kolektora. Izolację stanowią co najmniej dwie warstwy wełny mineralnej. Spodnią część izolacji ułożonej bezpośrednio na dolnej płycie obudowy kolektora stanowi warstwa prasowanej wełny mineralnej o grubości 50 mm, ściśle ułożona na dolnej płycie obudowy kolektora. Na spodnią warstwę wełny ściśle nałożona jest druga górna warstwa prasowanej wełny mineralnej o handlowej nazwie Unimata Isover z welonem szklanym o średniej grubości 30 mm. W górnej warstwie izolacji posadowiona jest struktura rurowa. Górna powierzchnia tej izolacji bezpośrednio styka się z dolną powierzchnią absorpcyjnej płyty miedzianej i z przylutowaną do niej strukturą rurową.

Praca generatora energii elektrycznej polega na przetworzeniu energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Promienie słoneczne padają na powierzchnię modułów fotowoltaicznych, składających się z zespołu cel krzemowych połączonych ze sobą elektrycznie i/lub umieszczonych na płycie laminatu. Promieniowanie słoneczne wytwarza różnicę potencjału na każdej celi ogniwa krzemowego, a przez ich odpowiednie połączenie elektryczne w sposób szeregowy i równoległy, odpowiedniej wielkości różnica potencjału zostaje wyprowadzona na zewnątrz modułu fotowoltaicznego do zacisków elektrycznych prądu stałego. Energia generatora elektrycznego uzależniona jest wprost proporcjonalnie od poziomu promieniowania słonecznego oraz od powierzchni modułu fotowoltaicznego. Wartość napięcia na zaciskach elektrycznych prądu stałego zależy od ilości i od odpowiedniego połączenia szeregowego i równoległego poszczególnych cel modułu fotowoltaicznego. Pozyskana energia elektryczna wygenerowana w procesie przemiany promieniowania słonecznego może być wykorzystywana w tak zwanym systemie wyspowym. System ten wykorzystując zespoły modułów fotowoltaicznych kolektora, składa się z zespołu akumulatorów, regulatorów ładowania oraz z przetwornic DC/AC. System ten jest zdolny do automatycznego zasilania odbiorników energii elektrycznej. Innym wykorzystaniem generatora energii elektrycznej jest system do współpracy bez funkcjonowania automatycznego z krajową lub regionalną siecią energetyczną. System ten składa się z zespołu modułów fotowoltaicznych oraz przetwornic DC/AC zsynchronizowanych z siecią.

Wiadomym jest, że zastosowanie krzemu do budowy poszczególnych cel ogniwa fotowoltaicznego powoduje dodatkowy wzrost temperatury modułu fotowoltaicznego lub laminatu i posadowionych w nim cel krzemowych, co wpływa negatywnie na sprawność modułu fotowoltaicznego kolektora. Aby zapobiec zmniejszeniu sprawności generatora energii elektrycznej kolektora spowodowanej wzrostem temperatury modułu fotowoltaicznego lub laminatu, przetwornik energii promieniowania słonecznego posiada zabudowany generator energii cieplnej. Generator ten wykorzystuje nadmiar energii cieplnej powstałej w czasie pracy generatora energii elektrycznej. Generator energii cieplnej stanowi zatem

PL 218 687 B1 chłodnicę powierzchni modułu fotowoltaicznego wykorzystujący jednocześnie część energii promieniowania słonecznego, która nie została pochłonięta przez krzemowe cele kolektora słonecznego.

Generator energii cieplnej stanowi dowolnie ułożona w jednej powierzchni struktura rurowa. Korzystnie struktura rurowa wypełniona jest przepływającym nośnikiem ciepła, którym jest płyn o wysokiej gęstości. Struktura rurowa pozwala na transport energii cieplnej odebranej z powierzchni modułu fotowoltaicznego na zewnątrz kolektora w celu jej dalszego wykorzystania. Struktura rurowa swoją górną powierzchnią jest trwale przylutowana do spodniej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej, natomiast moduł fotowoltaiczny jest przyklejony bezpośrednio do górnej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej. Spodnia powierzchnia modułu fotowoltaicznego jest przyklejona do absorpcyjnej płyty miedzianej bezbarwną silikonową pastą termoprzewodzącą o dużej przewodności cieplnej. W odmianie kolektora gdzie moduł fotowoltaiczny jest posadowiony na płycie laminatu, do górnej powierzchni absorpcyjnej płyty miedzianej jest przyklejona spodnia powierzchnia laminatu z posadowionym modułem fotowoltaicznym za pomocą bezbarwnej silikonowej pasty termoprzewodzącej o dużej przewodności cieplnej. Całkowita spodnia powierzchnia laminatu styka się bezpośrednio z górną powierzchnią absorpcyjnej płyty miedzianej. Całość konstrukcji generatora energii cieplnej posiada odpowiednio dobraną izolację i jest umiejscowiona w aluminiowej obudowie, zamkniętej od dolnej powierzchni płytą aluminiową, natomiast górną powierzchnię stanowi moduł fotowoltaiczny lub płyta laminatu z zabudowanymi celami krzemowymi generatora energii elektrycznej. Izolacja struktury rurowej generatora energii cieplnej stanowi wypełnienie przestrzeni pomiędzy dolną blachą aluminiowej obudowy a spodnią powierzchnią absorpcyjnej płyty miedzianej z przylutowaną do niej strukturą rurową. Górna powierzchnia tej izolacji bezpośrednio styka się z dolną powierzchnią absorpcyjnej płyty miedzianej i z przylutowaną do niej strukturą rurową.

Zaletą kolektora słonecznego według wynalazku jest prosta konstrukcja, łatwy i szybki montaż, wysoka sprawność energetyczna i cieplna, możliwość pracy każdego z generatorów samodzielnie oraz możliwość przerwania procesu transportu energii w każdym przypadku, bez negatywnego wpływu na urządzenie. Kolektor może być zbudowany na bazie różnych typów modułów fotowoltaicznych o różnej wielkości. Zaletą kolektora z uwagi na jego konstrukcję i użyte podstawowe elementy oraz zastosowane materiały jest również jego długa żywotność, sięgająca nawet 30 lat nieprzerwanej pracy.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest pokazany na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny przez kolektor słoneczny, natomiast Fig. 2 przedstawia jeden ze sposobów ułożenia struktury rurowej wewnątrz kolektora.

W obudowie kolektora słonecznego do absorbera 3 za pomocą pasty termoprzewodzącej 2 przyklejony jest moduł fotowoltaiczny 1. Do spodniej powierzchni absorbera 3 przylutowana jest struktura rurowa 4 z rurą zbiorczą 5 i wspornikiem usztywniającym 9 z rurowym wypustem czujnika temperatury 8. Rura zbiorcza 5 posiada kompensację w postaci wygięcia 10. Wnętrze kolektora od górnej wewnętrznej powierzchni 7 obudowy kolektora do dolnej spodniej powierzchni absorbera 3 wypełnione jest izolacją 6.

Claims (2)

1. Kolektor słoneczny mający w jednej obudowie generator energii elektrycznej w postaci modułu fotowoltaicznego posadowionego na absorberze i generator energii cieplnej w postaci struktury rurowej stanowiącej jednocześnie chłodnicę modułu fotowoltaicznego, w którym absorber jest połączony bezpośrednio ze strukturą rurową, ponadto między absorberem a modułem fotowoltaicznym jest zastosowana pasta termoprzewodząca, a pod absorberem i strukturą rurową jest umieszczona izolacja cieplna, znamienny tym, że absorber (3) stanowi miedziana płyta (3), do której górnej powierzchni jest bezpośrednio przyklejona za pomocą bezbarwnej pasty termoprzewodzącej (2) spodnia powierzchnia modułu fotowoltaicznego (1), przy czym górna powierzchnia płyty (3) jest pokryta powłoką Tinox, albo do górnej powierzchni płyty (3) jest przyklejona za pomocą silikonowej pasty termoprzewodzącej (2') spodnia powierzchnia płyty laminatowej z posadowionym modułem fotowoltaicznym (1), przy czym w obu opcjach kolektora struktura rurowa (4) ma kształt meandryczny i zawiera rurę zbiorczą (5) z ujściem kompensacji w postaci wygięcia (10), a także zawiera wspornik usztywniający (9) i rurowy wypust czujnika temperatury (8) oraz jest połączona trwale lutem miękkim ze spodnią powierzchnią absorbera (3), natomiast przestrzeń ograniczona z jednej strony spodnią powierzchnią

PL 218 687 B1 absorbera (3) i wystającą z niej powierzchnią struktury rurowej (4), a z drugiej strony dolną płytą (7) obudowy kolektora jest wypełniona izolacją cieplną (6) ułożoną w co najmniej dwóch warstwach.

2. Kolektor według zastrz. 1, znamienny tym, że izolację (6) stanowią dwie warstwy prasowanej wełny mineralnej, przy czym spodnia część izolacji (6) o grubości 50 mm jest ściśle ułożona bezpośrednio na powierzchni dolnej płyty obudowy (7), na którą ściśle jest nałożona druga górna warstwa wełny mineralnej o średniej grubości 30 mm z welonem szklanym, przy czym górna powierzchnia drugiej warstwy izolacji (6) bezpośrednio styka się z dolną powierzchnią absorpcyjnej płyty miedzianej (3) i z przylutowaną do niej strukturą rurową (4).