PL244004B1 - Wymiennik ciepła konwerterów słonecznych oraz sposób regulacji temperatury takiego wymiennika ciepła - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób regulacji temperatury w konwerterach słonecznych odnawialnych źródeł energii oraz wymiennik ciepła konwertera słonecznego, zwłaszcza konwertera płaskich kolektorów słonecznych, hybrydowych paneli PVT i poddachowych kolektorów słonecznych. Sposób polega na tym, że mierzy się temperaturę płynu solarnego na wyjściu orurowania grzewczego wymiennika ciepła i w przypadku, kiedy temperatura na wyjściu orurowania grzewczego jest wyższa niż dopuszczalna temperatura ładowania ciepłej wody użytkowej, otwiera się przepływ płynu solarnego w orurowaniu chłodzącym i schładza się płyn solarny w orurowaniu grzewczym do temperatury nie wyższej niż dopuszczalna temperatura ładowania ciepłej wody użytkowej. Natomiast gdy temperatura na wyjściu orurowania grzewczego jest niższa niż najniższa temperatura dopuszczalna ładowania ciepłej wody użytkowej ok. 45°C, ale wyższa od temperatury progu opłacalności ok. 4°C, zamyka się przepływ płynu solarnego w orurowaniu grzewczym i otwiera się przepływ płynu solarnego w orurowaniu chłodzącym. Wymiennik ciepła ma orurowanie dwuobwodowe, przy czym pierwszy obwód ma postać orurowania meandrowego (1) i jest orurowaniem grzewczym, natomiast drugi obwód ma postać co najmniej jednego orurowania pętlowego (2, 3, 4) i jest orurowaniem chłodzącym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wymiennik ciepła konwerterów słonecznych zwłaszcza płaskich kolektorów słonecznych, hybrydowych paneli PVT i poddachowych kolektorów słonecznych oraz sposób regulacji temperatury takiego wymiennika ciepła.

Powszechnie znane i stosowane są konwertery, przetwarzające energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną i/lub energię termalną - popularnie nazywane odnawialnymi źródłami energii, takie jak panele fotowoltaiczne PV, hybrydowe panele fotowoltaiczne z odzyskiem ciepła PVT, kolektory słoneczne i słoneczne kolektory poddachowe. Energia cieplna, uzyskiwana z takich odnawialnych źródeł energii na ogół służy do ładowania zasobników ciepłej wody użytkowej a niekiedy także do wspomagania energią termalną instalacji centralnego ogrzewania. Odzyskując energię termalną z członu PV, chłodzi się płytę fotowoltaiczną PV a przez to zwiększa się wydajności elektryczną i wydłuża żywotność całej konstrukcji. Głównym celem i podstawą użyteczności kolektorów słonecznych różnych typów jest możliwość uzyskiwania nośnika energii cieplnej o temperaturze wyższej niż 40°C (podgrzewanie wody w zasobniku ciepłej wody użytkowej). Ogranicza to stosowalność takich źródeł ciepła do sześciu lub siedmiu miesięcy okresu letniego. Jednak w okresach dużego nasłonecznienia, uzyskiwane temperatury niekiedy znacznie przewyższają górną granicę temperatury ciepłej wody użytkowej (55°C), przyczyniając się do degradacji instalacji i płynu solarnego. Wtedy, gdy energia nie jest odbierana przez zasobnik c.w.u. (bo zasobnik c.w.u. jest już na ogół naładowany), następuje kumulacja energii w instalacji solarnej i gwałtowny wzrost temperatury nazywany stanem stagnacji, grożącym nawet zagotowaniem się płynu solarnego i wybuchem. W takich warunkach, w przypadku hybrydowych paneli fotowoltaicznych z odzyskiem ciepła PVT, w czasie największych wartości nasłonecznienia i w wyniku wzrostu temperatury w zasobniku ciepłej wody użytkowej a przez to spadku różnicy temperatur ΔΤ między nimi, funkcja chłodzenia członu PV panelu PVT nagrzanym płynem solarnym znacząco spada. Człon PV uzyskuje wtedy ekstremalnie wysokie temperatury a wraz ze wzrostem temperatury znacznie wzrasta negatywny wpływ współczynnika temperaturowego na wydajność elektryczną członu PV. Zwłaszcza dotyczy to fotoogniw krzemowych i perowskitowych. Wartość współczynnika temperaturowego fotoogniw krzemowych dochodzi do - 0,45% spadku wydajności elektrycznej na każdy 1°C wzrostu ich temperatury co ogranicza potencjalnie największą w tym okresie wydajność elektryczną. Natomiast nieodbierana przez zasobnik, niepotrzebna wtedy energia cieplna jest nie tylko tracona, ale przede wszystkim szkodliwa i niebezpieczna. Również w okresach, gdy płyn solarny nie osiąga temperatury, zapewniającej uzyskanie dolnej granicy temperatury ciepłej wody użytkowej, jego energia jest najczęściej bezużyteczna, mimo że ilość tej energii i jej wartość ekonomiczna w skali roku jest większa od wartości energii, uważanej za użyteczną w zakresie temperatur ciepłej wody użytkowej i wyższa od wartości ekonomicznej generowanej energii elektrycznej. Niewykorzystywana suma energii płynu solarnego o temperaturach wyższych od górnej granicy temperatury ciepłej wody użytkowej i niższych od dolnej granicy temperatury ciepłej wody użytkowej powoduje, że potencjalnie dostępna energia słoneczna, wykorzystywana do produkcji ciepła jest spożytkowywana wtedy w minimalnym stopniu. To znaczy, jest używana tylko do grzania ciepłej wody użytkowej, ponieważ zazwyczaj nie ma uzasadnienia instalowania większej liczby kolektorów słonecznych i innych odnawialnych źródeł energii, produkujących energię cieplną niż minimum, niezbędne do pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Dla przykładu, dla czteroosobowej rodziny, zamieszkującej dom jednorodzinny o powierzchni ok. 120 m², w okresie letnim wystarcza przeliczeniowo jedynie 0,6 przeciętnego kolektora słonecznego na jednego mieszkańca domu. Stosowanie większej liczby kolektorów słonecznych i produkowanie większej ilości energii cieplnej mimo takiej potencjalnej możliwości nie jest celowe a nawet jest szkodliwe. Taki stan rzeczy powoduje zmniejszenie popytu, na rynku słonecznych odnawialnych źródeł energii, zwłaszcza na hybrydowe panele słoneczne PVT z odzyskiem ciepła.

Znane są rozwiązania, które umożliwiają włączanie instalacji hydraulicznej członów T hybrydowych paneli słonecznych PVT jako źródeł energii cieplnej bezpośrednio do obwodów dolnego źródła pompy ciepła. Rozwiązania te umożliwiają uzyskiwania temperatur płynu solarnego członu T panelu PVT nawet poniżej 0°C, co zwiększa różnicę temperatur ΔΤ pomiędzy temperaturą członu T panelu PVT jako źródła energii a temperaturą odbiornika energii (dolnym źródłem pompy ciepła). Takie rozwiązanie powoduje szkodliwe osadzanie się szronu lub lodu na instalacji, nie zapewnia stabilnej pracy pompy ciepła. Jest to spowodowane zbyt małą pojemnością cieplną samej instalacji, niestabilnością pracy pompy ciepła a także przypadkowością podaży energii promieniowania słonecznego. Utrzymy wanie temperatury płynu solarnego w instalacji odnawialnego źródła energii na poziomie - 0°C, w warunkach zmienności podaży energii słonecznej, porywów wiatru itd. wymaga stosowania pompy ciepła, zużywającej stosunkowo dużo energii do jej napędu oraz stosowania złożonych układów sterowania temperaturą dolnego źródła pompy ciepła, co komplikuje i podraża instalację. W ciągu dnia, gdy podaż energii słonecznej jest duża, wymaga to stosowania pompy ciepła w reżimie pracy startstopowej, co jest bardzo niekorzystne dla pompy ciepła i energetycznie nieopłacalne. Rozwiązanie to nie gwarantuje osiągania granicy opłacalności ekonomicznej, wynikającej ze stosunku wartości energii użytecznej, uzyskiwanej w górnym źródle pompy ciepła, do wartości energii pobieranej do napędu pompy ciepła. W powszechnie znanych konstrukcjach płaskich kolektorów słonecznych, hybrydowych paneli PVT i poddachowych kolektorów słonecznych, do odbioru energii cieplnej z nagrzewającej się pod wpływem promieniowania słonecznego płyty absorpcyjnej służy o rurowanie, zintegrowane z płytą absorpcyjną, płytą fotowoltaiczną lub blachą (płaską, trapezową, gontową itd. poszycia dachowego) będące rodzajem wymiennika ciepła. W znanych rozwiązaniach stosuje się na ogół orurowania meandrowe (wężownica) albo orurowania harfowe (równolegle rury między kolektorem dopływowym a kolektorem odpływowym). Znane są również „bioniczne” wymienniki ciepła, będące zewnętrznie płytą, zawierającą w swej objętości strukturę miniaturowych kanalików. W rozwiązaniach wykorzystujących orurowanie meandrowe przy jednokrotnym przepływie płynu solarnego przez hydrauliczną instalację odzysku ciepła, uzyskuje się maksymalną, możliwą do uzyskania temperaturę płynu solarnego na wyjściu takiego wymiennika ciepła przy niepełnym wykorzystaniu energii nagrzanej płyty absorpcyjnej (a w przypadku paneli PVT również przy niezbyt wydajnym chłodzeniu płyty fotowoltaicznej). Natomiast przy tych samych średnicach rur wymienników ciepła (meandrowego i harfowego), w połączeniu harfowym uzyskuje się największą, możliwą wydajność energii (a w przypadku PVT również maksymalnie wydajne i równomierne chłodzenie całej płyty fotowoltaicznej) przy stosunkowo niskiej temperaturze strumienia płynu solarnego na wyjściu kolektora. Znane rozwiązania nie zapewniają możliwości elastycznego dostosowywania instalacji do występujących (przypadkowo zmiennych) warunków otoczenia, takich jak stopień nasłonecznienia, temperatura powietrza, zmienne zacienianie (ruch względny słońca w stosunku do paneli i kolektorów słonecznych czy ruch liści drzew, zacieniających pod wpływem wiatru). Nie umożliwiają także optymalizacji pracy instalacji odnawialnego źródła energii, dostosowującej parametry uzyskiwanej energii do wymagań odbiornika (na przykład stopnia naładowania zasobnika ciepłej wody użytkowej) i samej instalacji, ponieważ przeciwstawne parametry eksploatacyjne uzyskiwane są rozdzielnie, w osobnych, nieprzestrajalnych („sztywnych”) konfiguracjach instalacji odzysku energii. Nie zapewniają również uzyskiwania na całej powierzchni płyty absorpcyjnej a zwłaszcza płyty fotowoltaicznej jednolitego, płaskiego rozkładu temperatury pracy.

Z patentu PL.231006 znane jest rozwiązanie wymiennika ciepła, przeznaczonego do zastosowania w hybrydowych panelach PVT, w płaskich kolektorach słonecznych i słonecznych kolektorach poddachowych. Wymiennik ten składa się z autonomicznych hydraulicznie i mechanicznie, powtarzalnych modułów, w postaci sztywnych korytek. W każdym module/korytku, umieszczony jest wykonany z elastycznej folii metalowej, rękaw wypełniony płynem roboczym. W takim rękawie umieszczony jest rurowy wymiennik ciepła. Pomiędzy elastycznym rękawem a dnem korytka znajduje się elastyczny pasek, pełniącą funkcję naczynia wzbiorczego i elementu zabezpieczającego. Elastyczna folia rękawa pod wpływem siły parcia płynu roboczego w rękawie, rozpłaszcza się na całej powierzchni styku z płytą absorpcyjną, fotowoltaiczną lub blachą poszycia dachowego w obrębie korytka. Zestaw takich modułów znacząco zwiększa poziom transferu energii termalnej konwertowanej z energii promieniowania słonecznego do płynu roboczego w rękawie.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji wymiennika ciepła konwertera słonecznego, zwłaszcza konwertera płaskich kolektorów słonecznych, hybrydowych paneli PVT i poddachowych kolektorów słonecznych, o podwyższonej wydajności elektrycznej i termalnej, umożliwiających za pomocą tej samej instalacji solarnej bezpieczne ładowanie zasobnika ciepłej wody użytkowej i sezonowego magazynu energii. Celem wynalazku jest również opracowanie sposobu regulacji temperatury tego wymiennika dla uzyskania większej wydajności elektrycznej i termalnej.

Wymiennik ciepła konwerterów słonecznych, zwłaszcza hybrydowych paneli PVT i poddachowych kolektorów słonecznych, posiada orurowanie z płynem solarnym, zintegrowane z płytą absorpcyjną lub z płytą fotowoltaiczną albo z blachą pokrycia dachowego. Istotą wymiennika jest to, że ma dwuobwodowe orurowanie. Przy czym pierwszy obwód ma postać orurowania meandrowego i jest orurowaniem grzewczym, natomiast drugi obwód ma postać co najmniej jednego orurowania pętlowego i jest orurowaniem chłodzącym. Korzystnie jest, gdy całe orurowanie meandrowe obwodu grzewczego i całe orurowanie pętlowe obwodu chłodzącego jest usytuowane na tej samej powierzchni, a wejście kolektora wejściowego i wyjście kolektora wyjściowego znajdują się względem siebie po przeciwnych stronach zespołu kolektorowego. Korzystne jest również gdy orurowanie pętlowe obwodu chłodzącego jest umieszczone po stronie otwartych meandrów orurowania meandrowego obwodu grzewczego a pętle kompensacyjne orurowania pętlowego znajdują się wewnątrz meandrów orurowania meandrowego. W wymienniku tym całe orurowanie meandrowe obwodu grzewczego i całe orurowanie pętlowe obwodu chłodzącego może mieć postać kanałów wytworzonych w tej samej warstwie, absorpcyjnej płyty konstrukcyjnej. W wymienniku tym, przynajmniej część orurowania meandrowego obwodu grzewczego i część orurowania pętlowego obwodu chłodzącego może być zanurzona w płynie roboczym, znajdującym się w elastycznym rękawie, wspomagającym przepływ energii cieplnej. Wtedy, elastyczny rękaw, z płynem roboczym, umieszczony jest w sztywnym korytku, stanowiącym autonomiczny moduł wymiennika, współoddziałującego termicznie z płytą absorpcyjną kolektora słonecznego, płytą fotowoltaiczną panelu PVT lub poszyciem dachowym.

Istotą sposobu regulacji temperatury tego wymiennika jest to, że mierzy się temperaturę płynu solarnego na wyjściu orurowania grzewczego wymiennika ciepła. W przypadku, kiedy temperatura na wyjściu orurowania grzewczego jest wyższa niż dopuszczalna temperatura ładowania ciepłej wody użytkowej, korzystnie ok. 60°C otwiera się przepływ płynu solarnego w orurowaniu chłodzącym. Następnie płynem solarnym, którego temperatura na wejściu tego orurowania wynosi ok. 2°C, schładza się płyn solarny w orurowaniu grzewczym do temperatury niższej niż dopuszczalna temperatura ładowania ciepłej wody użytkowej. Natomiast gdy temperatura na wyjściu orurowania grzewczego jest niższa niż najniższa temperatura dopuszczalna ładowania ciepłej wody użytkowej ok. 45°C, ale wyższa od temperatury progu opłacalności ok. 4°C, mierzonej na wyjściu orurowania chłodzącego, zamyka się przepływ płynu solarnego w orurowaniu grzewczym i otwiera się przepływ płynu solarnego w orurowaniu chłodzącym. Chłodzenie prowadzi się do czasu osiągnięcia w wymienniku temperatury progu opłacalności.

Wynalazek, dzięki zastosowaniu dwuobwodowego wymiennika ciepła w członach odzysku ciepła konwerterów słonecznych, takich jak kolektory słoneczne, poddachowe kolektory słoneczne, a zwłaszcza hybrydowe panele fotowoltaiczne z odzyskiem ciepła PVT i dzięki chłodzącemu, regulowanemu oddziaływaniu orurowania pętlowego, współoddziałującemu z sezonowym, fazowym, wodnym magazynem energii słonecznego odnawialnego źródła energii, umożliwia odzysk niemal całej energii promieniowania słonecznego, docierającego do konwertera słonecznego w danych warunkach klimatycznych i przy danym poziomie zaawansowania technologii elektronicznej. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia pracę obwodu grzewczego ciepłej wody użytkowej w warunkach niezagrożonych eksplozją instalacji i nienarażających użytkowników na poparzenia w wyniku przegrzania. Natomiast dzięki stworzeniu warunków do korzystnego stosowania większych instalacji konwersji energii promieniowania słonecznego na energię termalną niż dotychczasowe stosowanie minimalnej liczby konwerterów, zapewniających ciepłą wodę użytkową w półroczu letnim, instalacja grzewcza według wynalazku o mocy większej niż standardowa, umożliwia również rozszerzenie okresu grzewczego, w którym przy wymaganej temperaturze ładowania zasobnika ciepłej wody użytkowej, szczególnie wtedy, kiedy na skrajach okresu ładowania trzeba zapewnić wystarczającą moc źródła energii (instalacji grzewczej). Stosowanie sposobu według wynalazku umożliwia stosowalnie krótkich okresów ładowania zasobnika ciepłej wody użytkowej i wydłużenie okresów pomiędzy kolejnymi ładowaniami zasobnika ciepłej wody użytkowej, w czasie których całą energią termalną, przetwarzaną przez konwerter energii słonecznej, ładuje się sezonowy, fazowy, wodny magazyn energii z przeznaczeniem jej na okres zimowych niedoborów energii, w tym również na okres, w którym nie można grzać zasobnika ciepłej wody „z dachu”, ale można go zasilać za pomocą pompy ciepła energią zakumulowaną w sezonowym magazynie energii. Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku, sezonowy magazyn energii można również ładować dotychczas szkodliwym nadmiarem energii, powodującej przegrzanie instalacji ale, nade wszystko, dzięki zastosowaniu wodnego, fazowego magazynu energii z gwarantowaną przez prawa Fizyki temperaturą 0°C w całym zakresie przemiany fazowej, przy ekstremalnie dużej, możliwej do uzyskania różnicy temperatur pomiędzy temperaturą płynu solarnego na wyjściu z instalacji chłodzącej wymiennika ciepła a temperaturą wody w fazowym magazynie energii. Można również, dzięki współoddziaływaniu z magazynem fazowym bardzo korzystnie spożytkować energię termalną dotychczas na ogół bezużyteczną, zawartą w płynie solarnym w przedziale temperatur od dolnej granicy temperatury ciepłej wody użytkowej (ok. 40°C) do temperatury granicy opłacalności, wynoszącej ok. 4°C. Wartość tej energii (również ekonomiczna) jest kilkakrotnie większa niż energia ładująca zasobnik ciepłej wody użytkowej. Dzięki współoddziaływaniu energetycznemu (energia i temperatura) wymiennika ciepła według wynalazku z fazowym magazynem energii i właściwościom temperaturowym procesu przemiany fazowej wody w lód (0°C), nie może dojść do oblodzenia instalacji solarnej. Strumień płynu w obwodzie solarnym podgrzewany w wymienniku pętlowym o kilka lub kilkanaście kelwinów i kierowany do fazowego magazynu energii i nie podnosi temperatury wody w tym magazynie a jedynie odbiera (chłodzi) i akumuluje energię nagrzanego płynu solarnego co umożliwia w drodze powrotnej, z magazynu fazowego do obwodu pętlowego wymiennika ciepła, chłodzenie płynem solarnym o niezmiennej temperaturze wyjściowej 0°C, a dzięki temu gwarantuje niezmienne warunki chłodzenia. Natomiast w warunkach sterowania wielkością przepływu strumienia solarnego umożliwia sterownie temperaturą płyty konstrukcyjnej, z którą wymiennik ciepła jest zintegrowany. Wymiennik ciepła według wynalazku umożliwia nie tylko uzyskiwanie wymaganej temperatury płyty konstrukcyjnej w dynamicznie zmiennych warunkach nasłonecznienia i zapewnianie optymalnych, temperaturowych warunków pracy ogniwom fotowoltaicznym hybrydowych paneli PVT, osadzonym na płycie konstrukcyjnej (po jej przeciwnej stronie w stosunku do wymiennika ciepła), ale dzięki zastosowaniu pętli kompensacyjnych w wymienniku pętlowym, umożliwia wyrównywanie chłodzącego oddziaływania na płytę konstrukcyjną i zapewnia jednakową temperaturę w pasie swojego oddziaływania wzdłuż kierunku przepływu strumienia solarnego w pętli kompensacyjnej. Ułożenie pętli kompensacyjnych w kolejnych otwartych meandrach wymiennika meandrowego umożliwia pokrycie całej powierzchni pleców płaskiego konwertera słonecznego. Natomiast dzięki wejściu i wyjściu obwodu solarnego do i z wymiennika po przeciwnych stronach zespołu kolektorowego wymiennika pętlowego zapewnia wyrównanie oporów przepływu strumieni solarnych w całej instalacji wymiennika pętlowego, dzięki czemu uzyskuje się ujednolicenie rozkładu temperatur na powierzchni płyty konstrukcyjnej wzdłuż kierunku ułożenia zespołu kolektorowego. Dzięki wspólnemu kompensacyjnemu oddziaływaniu pętli kompensacyjnych i wyrównaniu oporów przepływu strumieni solarnych w wymienniku pętlowym, w długich okresach pomiędzy priorytetowym, krótkim ładowaniem zasobnika ciepłej wody użytkowej, uzyskuje się płaski rozkład temperatury o zadanej wartości na całej powierzchni płyty konstrukcyjnej. Dzięki możliwości uzyskiwania obniżonej (w tym również poniżej temperatury znamionowej) i jednakowej temperatury płyty konstrukcyjnej i jej oddziaływania na osadzone na niej fotoogniwa, następuje obniżanie temperatury pracy tych ogniw i wzrost ich wydajności elektrycznej, co ma szczególne znaczenie w okresach największego nasłonecznienia. Zastosowanie wymiennika ciepła według wynalazku, zintegrowanego z absorpcyjną płytą konstrukcyjną słonecznego konwertera energii umożliwia rozszerzenie funkcjonalności dotychczasowych konstrukcji wymienników meandrowych kolektorów słonecznych i hybrydowych paneli PVT. Realizacja wymiennika w postaci autonomicznych modułów rękawowych pozwala zintensyfikować transport energii i „wygładzić” rozkład temperatury na całej powierzchni płyty absorpcyjnej lub uzyskiwać zadane, dynamicznie zmienne rozkłady temperatur. Natomiast realizacja wymiennika w postaci kanałów wytworzonych wewnątrz zespolonej metalowo - szklanej płyty konstrukcyjnej umożliwia lepsze zintegrowanie członów konwertera słonecznego i umożliwia zwiększenie skuteczności oddziaływania na ogniwa fotowoltaiczne szczególnie w warunkach ich bezpośredniego osadzenia na podłożu metalowym płyty konstrukcyjnej. Dzięki absolutnej stabilizacji temperatury wody fazowego magazynu energii w stanie przemiany fazowej wody w lód (0°C), (niezależnej od czynników zewnętrznych i pomijalnie małym zmiennym przyrostom tej temperatury na drodze z fazowego magazynu energii do wymiennika ciepła), ogniwa fotowoltaiczne pracują w bardzo stabilnym przedziale temperatur i nie przegrzewają się. Owocuje to znacznym zwiększeniem żywotności całej konstrukcji a szczególnie zapobiega destrukcji płytek krzemowych fotoogniw. Również zastosowanie metalowej płyty nośnej w porównaniu do stosowanych obecnie materiałów przeciwdziała destrukcyjnym skutkom długotrwałego (dziesięciolecia) oddziaływania promieniowania UV, ekstremalnym zakresom zmiennej temperatury i wilgotności. Proponowany sposób regulacji temperatury i konstrukcja wymiennika ciepła według wynalazku pozwala na uzyskanie pełnej samowystarczalności cieplnej (i chłodniczej) obiektów typu dom jednorodzinny przez cały rok oraz na kompensację współczynnika temperaturowego materiałów z których wykonane są ogniwa fotowoltaiczne i zwiększenie przez to wydajności elektrycznej hybrydowego panelu PVT powyżej wydajności nominalnej i znaczne ograniczenie kosztów. Zastosowanie rozwiązań według wynalazku umożliwia uzyskanie pełnej samodzielności energetycznej użytkowników domów jednorodzinnych i wielorodzinnych oraz podobnych obiektów, pozwala odciążyć elektryczną sieć przesyłową bez konieczności tworzenia kosztownych sieci ciepłowniczych na zasadzie „tu produkujesz, tu zużywasz”. Energia termalna produkowana jest z poszanowaniem środowiska naturalnego, nie narażając użytkowników na niepotrzebne koszty wciąż drożejącej energii.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, Fig. 1 rysunku przedstawia dwuobwodowe orurowanie wymiennika, Fig. 2 przedstawia orurowanie wymiennika umieszczone w autonomicznym module a Fig. 3 pokazuje schemat instalacji dla domu jednorodzinnego z użyciem panelu fotowoltaicznego PVT wykorzystującego wymiennik ciepła według wynalazku. Ponadto, zostanie objaśnione zastosowanie rozwiązania według wynalazku w płycie konstrukcyjnej konwertera słonecznego. Wymiennik ciepła według wynalazku przeznaczony jest dla płaskich konwerterów słonecznych odnawialnych źródeł energii, przetwarzających energię promieniowania słonecznego na energię termalną lub na energię elektryczną a zwłaszcza dla hybrydowych paneli PVT i poddachowych kolektorów słonecznych.

Przykładowy wymiennik ciepła hybrydowego panelu PVT według wynalazku zastosowany został w hybrydowej instalacji fotowoltaicznej z odzyskiem ciepła. Wymiennik ten posiada orurowanie dwuobwodowe, w postaci odpowiednio wygiętych rurek o średnicy 8 mm, przy czym pierwszy obwód jest orurowaniem meandrowym 1 i jest orurowaniem grzewczym, natomiast drugi obwód jest orurowaniem pętlowym 2, 3, 4 i jest orurowaniem chłodzącym. Orurowanie chłodzące składa się z kolektora wejściowego 2, kolektora wyjściowego 3, oraz z pętli kompensacyjnych 4. Orurowanie wymiennika pierwszego i drugiego obwodu zintegrowane jest z metalową absorpcyjną płytą konstrukcyjną 8 o dużej wytrzymałości mechanicznej, zwłaszcza wytrzymałości na siłę parcia wiatru (powyżej 2400 Pa w warunkach statycznych) oraz o wystarczająco dobrej przewodności cieplnej (powyżej 130 W/mK), w przykładzie jest to płyta duraluminiowa. Wewnątrz orurowania znajduje się typowy płyn solarny. Wymiennik ciepła umieszczony jest pod płytą konstrukcyjną 8 natomiast na wierzchu tej płyty umieszczony jest panel składający się z 72 ogniw fotowoltaicznych. Na wyjściu orurowania meandrowego 1 obwodu grzewczego wymiennika ciepła znajduje się meandrowy czujnik temperatury 9. Przykładowy wymiennik ciepła posiada dwa pętlowe orurowania chłodzące, usytuowane po obydwu stronach meandrowego 1 orurowania grzewczego, a każde orurowanie pętlowe składa się z kolektora wejściowego 2, kolektora wyjściowego 3 z pętlowym czujnikiem temperatury 10 na jego wyjściu oraz z 15 pętli kompensacyjnych 4. Orurowania pętlowe ułożone są po stronie otwartych meandrów orurowania meandrowego tak, że pętle kompensacyjne 4 wchodzą do otwartych meandrów bez krzyżowania się z orurowaniem meandrowym i innymi elementami orurowania pętlowego.

W drugim przykładzie orurowanie wymiennika, zaprojektowano tak, że składa się z jednej pętli kompensacyjnej 4 i połowy meandra orurowania meandrowego 1, które umieszczono w pojedynczych autonomicznych piętnastu modułach dla każdego panelu fotowoltaicznego. Na Fig. 2a pokazano przekrój wzdłużny pojedynczego modułu, a na Fig. 2b pokazano przekrój poprzeczny tego modułu. Każdy moduł składa się ze sztywnego korytka 7, z elastycznego rękawa 6 wypełnionego płynem roboczym 5, w którym jest umieszczona połowa meandra w postaci jednej rurki orurowania meandrowego i jedna pętla kompensacyjna 4. Płyn roboczy 5 wypełnia elastyczny rękaw 6 w takiej objętości aby płyta konstrukcyjna 8 nałożona na korytko od góry, w miarę możliwości, całą powierzchnią do niego przylegała. (Sztywne korytko jest „zakryte” płytą konstrukcyjną 8, do której jest dociskane a elastyczny rękaw 6 jest rozpłaszczany na powierzchni płyty konstrukcyjnej 8). Pomiędzy elastycznym rękawem 6 a dnem sztywnego korytka 7 jest umieszczony elastyczny pasek 11, w który wciśnięty jest elastyczny rękaw 6 w stopniu proporcjonalnym do siły parcia płynu roboczego 5. Pasek ten w danych warunkach temperaturowych, ugina się pod wpływem zwiększającej się siły parcia płynu roboczego 5 w elastycznym rękawie 6, a tym samym zapewnia stabilne ciśnienie płynu roboczego 5 i zabezpiecza rękaw 6 przed ewentualnym uszkodzeniem.

W trzecim przykładzie wykonania wymiennika ciepła, odpowiedniki orurowań, kanalizujące strumienie solarne orurowania meandrowego i pętle kompensacyjne 4 orurowania pętlowego 2, 3, 4 wykonano w zespolonej płycie konstrukcyjnej 8 jako kanały. Kanały te znajdują się w jednej części metalowej płyty 8 i są nakryte drugą częścią tej płyty, która jest metalowa ale również może być szklana. Natomiast wejścia i wyjścia kanałów, łączące się z kolektorem wejściowym 2 i kolektorem wyjściowym 3 wyprowadzono do tyłu poza tylną płaszczyznę płyty 8. Kolektor wejściowy 2 i kolektor wyjściowy 3 orurowania pętlowego 2, 3, 4 znajdują się więc na zewnątrz płyty konstrukcyjnej 8 po jej przeciwnej stronie, niż tylna płaszczyzna płyty, na której są osadzone ogniwa fotowoltaiczne 16. Płyta 8 jest zintegrowana z jednej strony z ogniwami fotowoltaicznymi (korzystnie osadzonymi bezpośrednio na niej lub zastępczo naklejonymi w postaci tzw. „laminatów”) a z drugiej strony (od tyłu) z izolującą cieplnie zespoloną płytą konstrukcyjną.

Przykładowy sposób regulacji temperatury wymiennika ciepła według wynalazku ilustruje Fig. 3 rysunku. Sposób ten zastosowano w instalacji słonecznego odnawialnego źródła energii opartego na hybrydowym panelu fotowoltaicznym z odzyskiem ciepła PVT umieszczonym na dachu i elewacji domu jednorodzinnego o powierzchni 120 m². W instalacji tej orurowanie meandrowe 1 wymiennika ciepła jest włączone do solarnego obwodu grzewczego 12 zasobnika ciepłej wody użytkowej 13, a orurowanie pętlowe 2, 3, 4 za pomocą solarnego obwodu chłodzącego 14 jest połączone z fazowym magazynem energii 15. Instalacja ogniw fotowoltaicznych 16 w solarnym obwodzie elektrycznym 17 łączy się z zasobnikiem energii elektrycznej 18. Natomiast fazowy magazyn energii 15 jest umieszczony w obwodzie dolnego źródła 19 pompy ciepła 20 a zasobnik energii elektrycznej 18 poprzez elektryczny obwód zasilający 21 jest połączony z układem napędowym pompy ciepła 20.

Według sposobu, w warunkach priorytetowego ładowania zasobnika ciepłej wody użytkowej 13 najpierw za pomocą meandrowego czujnika temperatury 9 mierzy się temperaturę płynu solarnego na wyjściu orurowania grzewczego 1 wymiennika ciepła. Jeżeli temperatura na wyjściu orurowania grzewczego jest wyższa niż dopuszczalna temperatura ładowania ciepłej wody użytkowej, ok. 60°C (co ma miejsce w okresach dużego nasłonecznienia), otwiera się przepływ płynu solarnego na wejściu kolektora 2 orurowania chłodzącego 2, 3, 4 i płynem solarnym, którego temperatura na wejściu tego kolektora wynosi ok. 2°C, poprzez płytę konstrukcyjną 8 (lub płyn roboczy 5 w elastycznym rękawie 6) schładza się płyn solarny w orurowaniu grzewczym do temperatury nie wyższej niż dopuszczalna temperatura ładowania zasobnika ciepłej wody użytkowej 13 to jest 60°C, ale nie niższej niż minimalna dopuszczalna temperatura ładowania zasobnika ciepłej wody użytkowej to jest 45°C i ładuje się schłodzonym płynem solarnym zasobnik ciepłej wody użytkowej aż do jego pełnego naładowania. Natomiast gdy temperatura na wyjściu grzewczego orurowania meandrowego jest niższa niż najniższa temperatura dopuszczalna ładowania ciepłej wody użytkowej ok. 45°C, ale wyższa od temperatury progu opłacalności ok. 4°C, mierzonej za pomocą pętlowego czujnika temperatury 10 na wyjściu kolektora wyjściowego 3 chłodzącego orurowania pętlowego 2, 3, 4 (co ma miejsce w okresach niewystarczającego lub braku nasłonecznienia), zamyka się przepływ płynu solarnego w orurowaniu grzewczym i otwiera się przepływ płynu solarnego w orurowaniu chłodzącym. Chłodzenie odbywa się poprzez transport niskotemperaturowej energii termalnej nagrzanej płyty konstrukcyjnej 8 za pomocą solarnego obwodu chłodzącego 14 z wymiennika ciepła do fazowego magazynu energii 15 w postaci zbiornika zawierającego ok. 30 ton wody o temperaturze wody w stanie płynnym 0°C. Chłodzenie prowadzi się do czasu obniżenia się temperatury na wyjściu kolektora wyjściowego 3 do temperatury progu opłacalności to jest 4°C. W okresach pomiędzy doładowywaniem zasobnika ciepłej wody użytkowej 13 energią termalną, wytwarzającą się w wyniku bilansowania energii termalnej oddziaływania promieniowania słonecznego w danych warunkach następuje oddziaływanie chłodzące strumieniem chłodzącym temperaturze ok. 2°C na materiał, z którego wykonane są ogniwa fotowoltaiczne, osadzone na płycie konstrukcyjnej 8. Następuje wtedy skuteczna kompensacja współczynnika temperaturowego większości rodzajów materiałów, z których są wykonane ogniwa i wzrost ich wydajności.

Do warunków wpływających na bilans energii termalnej zalicza się nagrzewające oddziaływanie absorbowanej energii promieniowania słonecznego, oddziaływanie energią nagrzewających się ścieżek przewodzących, transportujących energię elektryczną z ogniw fotowoltaicznych 16, wpływ otoczenia (w tym między innymi energii skraplania się pary wodnej z powietrza (przemiana fazowa) poniżej temperatury punktu rosy konwertera słonecznego, oddziaływania energii wiatru, deszczu i oddziaływania na drodze przewodnictwa cieplnego energii zawartej w otaczającym powietrzu o zmiennej temperaturze itd.), a zwłaszcza wpływ chłodzącego orurowania pętlowego 2, 3, 4 wymiennika ciepła według wynalazku. Działanie słonecznego odnawialnego źródła energii, wyposażonego w wymiennik według wynalazku powoduje generację maksymalnej wartości energii elektrycznej przez ogniwa fotowoltaiczne 16, dzięki zapewnieniu odpowiedniego dla danego materiału ogniwa fotowoltaicznego zakresu temperatur i umożliwia pracę w temperaturach poniżej temperatury punktu rosy. Jest to możliwe, ponieważ bilans energii, mających wpływ na temperaturę pracy takiego materiału ogniwa prowadzi się w sposób kontrolowany, poprzez regulowanie wielkości przepływu strumienia chłodzącego w solarnym obwodzie chłodzącym 14 na podstawie wskazań pętlowe go czujnika temperatury 10. Energia elektryczna, generowana przez ogniwa fotowoltaiczne 16 jest kierowana za pomocą solarnego obwodu elektrycznego 17 do dobowego magazynu 18, z którego ładuje się na przykład samochód elektryczny a po przetworzeniu za pomocą falownika na prąd przemienny używa się do bieżącego zasilania urządzeń domowych i pompy ciepła. Nadmiar energii na zasadach pro konsumenckich może być przesyłany do państwowej sieci energetycznej.

Claims (7)

1. Wymiennik ciepła konwerterów słonecznych, zwłaszcza hybrydowych paneli PVT i poddachowych kolektorów słonecznych, posiadający orurowanie z płynem solarnym, zintegrowane z płytą absorpcyjną lub z płytą fotowoltaiczną albo z blachą pokrycia dachowego, znamienny tym, że orurowanie wymiennika ciepła jest dwuobwodowe przy czym pierwszy obwód ma postać orurowania meandrowego (1) i jest orurowaniem grzewczym, natomiast drugi obwód ma postać co najmniej jednego orurowania pętlowego (2, 3, 4) i jest orurowaniem chłodzącym.

2. Wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że całe orurowanie meandrowe (1) obwodu grzewczego i całe orurowanie pętlowe (2, 3, 4) obwodu chłodzącego jest usytuowane na tej samej powierzchni przy czym orurowanie pętlowe (2, 3, 4) obwodu chłodzącego jest umieszczone, po stronie otwartych meandrów orurowania meandrowego (1) obwodu grzewczego a pętle kompensacyjne (4) orurowania pętlowego (2, 3, 4) znajdują się wewnątrz meandrów orurowania meandrowego (1).

3. Wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że całe orurowanie meandrowe (1) obwodu grzewczego i całe orurowanie pętlowe (2, 3, 4) obwodu chłodzącego wykonane jest w formie kanałów wytworzonych w tej samej warstwie absorpcyjnej płyty konstrukcyjnej (8).

4. Wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście kolektora wejściowego (2) i wyjście kolektora wyjściowego (3) orurowania pętlowego (2, 3, 4) znajdują się względem siebie po przeciwnych stronach zespołu kolektorowego (2, 3).

5. Wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej część orurowania meandrowego (1) obwodu grzewczego i część orurowania pętlowego (4) obwodu chłodzącego (2, 3, 4) jest zanurzona w płynie roboczym (5), znajdującym się w elastycznym rękawie (6), wspomagającym przepływ energii cieplnej.

6. Wymiennik ciepła według zastrz. 4 i 5, znamienny tym, że elastyczny rękaw (6), z płynem roboczym (5), umieszczony jest w sztywnym korytku (7), stanowiącym autonomiczny moduł wymiennika, współoddziałującego termicznie z płytą kolektora słonecznego, płytą fotowoltaiczną panelu PVT lub poszyciem dachowym.

7. Sposób regulacji temperatury wymiennika według dowolnego z zastrz. 1-6, znamienny tym, że mierzy się temperaturę płynu solarnego na wyjściu (9) orurowania grzewczego (1) wymiennika ciepła i w przypadku, kiedy temperatura na wyjściu orurowania grzewczego (1) jest wyższa niż dopuszczalna temperatura ładowania ciepłej wody użytkowej, korzystnie ok. 60°C, otwiera się przepływ płynu solarnego w orurowaniu chłodzącym (2, 3, 4) i płynem solarnym, którego temperatura na wejściu kolektora wejściowego (2) tego orurowania wynosi ok. 2°C. schładza się płyn solarny w orurowaniu grzewczym (1) do temperatury nie wyższej niż dopuszczalna temperatura ładowania ciepłej wody użytkowej, natomiast gdy temperatura na wyjściu (9) orurowania grzewczego (1) jest niższa niż najniższa temperatura dopuszczalna ładowania ciepłej wody użytkowej ok. 45°C, ale wyższa od temperatury progu opłacalności ok. 4°C, mierzonej na wyjściu (10) kolektora wyjściowego (3) orurowania chłodzącego (2, 3, 4), zamyka się przepływ płynu solarnego w orurowaniu grzewczym (1) i otwiera się przepływ płynu solarnego w orurowaniu chłodzącym (2, 3, 4) do czasu obniżenia się w wymienniku temperatury do wartości progu opłacalności.