ITRM20070093A1 - Pannello ad alto rendimento per la produzione di energia. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto di invenzione industriale avente per titolo:

“Pannello ad alto rendimento per la produzione di energia”.

La presente invenzione riguarda un pannello ad alto rendimento per la produzione di energia.

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.

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.

Un primo passo verso un consumo ed una produzione intelligente dell’energia elettrica è dato dal recupero e produzione energetica negli impianti domestici.

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.

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.

Un pannello fotovoltaico è generalmente composto da celle di silicio drogate preferibilmente con boro e fosforo.

Il silicio impiegato per la realizzazione di un pannello fotovoltaico può essere di vari tipi, ad esempio:

• 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;

• silicio policristallino, in cui il wafer non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati policristallo;

• silicio amorfo, in cui gli atomi silicei sono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno.

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.

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.

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.

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.

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.

I pannelli moderni comprendono anche isolanti in poliuretano, che riescono a mantenere per un tempo maggiore il calore accumulato nel boiler.

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.

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.

Il problema tecnico critico degli impianti termosolari è che non sono in grado di produrre energia nei mesi invernali.

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.

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.

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.

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.

Ancora secondo l’invenzione, detto fluido può essere diatermico.

Ulteriormente secondo l’invenzione, detti mezzi di assorbimento possono comprendere una serpentina che può essere preferibilmente realizzata in lega di rame/titanio.

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.

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.

Ancora secondo l’invenzione, detti mezzi isolanti possono essere realizzati in poliuretano.

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.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto pannello può comprendere un coperchio metallico posteriore di chiusura.

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;

la figura 2 mostra una vista prospettica di un pannello secondo la figura 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

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.

Facendo riferimento alla figura 1 è possibile osservare un pannello 1 ad alto rendimento per la produzione di energia secondo la presente invenzione.

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.

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.

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’.

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.

Si osserva anche che nel collegamento idraulico tra l’elemento di assorbimento 3 e lo scambiatore di calore 5 è installata una turbina 8.

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.

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.

Il funzionamento del pannello è il seguente. A seguito dell’incidenza del sole sulla superficie il pannello fotovoltaico 2 produce energia elettrica.

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.

Il liquido diatermico riscaldato aumenta di volume, generando una pressione che ne attiva la circolazione nello scambiatore di calore 5 della caldaia 4.

Prima di entrare nello scambiatore di calore 5 il liquido diatermico passa nella turbina 8 producendo energia elettrica.

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.

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.

La circolazione naturale si fermerà solo quando le temperature si saranno equilibrate, in quel caso l’acqua avrà raggiunto la sua massima temperatura.

Si osserva come il rendimento energetico del pannello fotovoltaico 1 sia dato dai seguenti fattori:

• 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;

• 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.

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.

Si osserva anche una struttura di supporto 16 del pannello 1.

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.

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).

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).

Il pannello per la produzione di energia secondo l’invenzione può essere accoppiato ad altri pannelli rendendo l’impianto modulare.

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.

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.

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.

È ancora un vantaggio della presente invenzione il fatto che la nel pannello può essere impiegato qualsiasi tipo di pannello fotovoltaico.

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

rivendicazioni allegate.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pannello (1) per la produzione di energia comprendente almeno un pannello fotovoltaico (2) atto alla generazione di energia elettrica a seguito dell’incidenza su una sua superficie di una sorgente di luce; mezzi di assorbimento (3) accoppiati termicamente con detto almeno pannello fotovoltaico (2), detti mezzi di assorbimento (3) assorbendo il calore dissipato da detto almeno un pannello fotovoltaico (2); e una unità di caldaia (4) comprendente almeno un tubo di ingresso (6) ed almeno un tubo di uscita (6’) dell’acqua di alimento e mezzi scambiatori di calore (5), detti mezzi scambiatori di calore (5) essendo collegati a detti mezzi di assorbimento (3) mediante uno o più raccordi (9), in detti mezzi scambiatori di calore (5) e in detti mezzi di assorbimento (3) essendo contenuto un fluido in grado di scorrere tra essi attraverso detti uno o più raccordi (9); il calore assorbito da detti mezzi di assorbimento (3) riscaldando detto fluido, detto fluido circolando tra detti mezzi di assorbimento (3) e detti mezzi scambiatori di calore (5), riscaldando a sua volta l’acqua di alimento contenuta in detta unità di caldaia (4).
2. 2. Pannello (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una turbina (8) interposta nel collegamento tra detti mezzi di assorbimento (3) e detti mezzi scambiatori di calore (5), detta turbina (8) a seguito del passaggio di detto fluido generando una corrente elettrica.
3. 3. Pannello (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto fluido è diatermico.
4. 4. Pannello (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di assorbimento comprendono una serpentina (3).
5. 5. Pannello (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta serpentina (3) è realizzata in lega di rame/titanio.
6. 6. Pannello (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura di contenimento (7) atta al contenimento di detta caldaia (4) e di detti mezzi di assorbimento (3).
7. 7. Pannello (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta struttura di contenimento (7) è metallica.
8. 8. Pannello (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi isolanti (10, 11, 12, 13), atti ad isolare termicamente il circuito termico dato da detti mezzi di assorbimento (3) e detta caldaia (4).
9. 9. Pannello (1) secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti mezzi isolanti sono realizzati in poliuretano.
10. 10. Pannello (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 o 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi isolanti comprendono un primo pannello (10) collocato in corrispondenza di detti mezzi di assorbimento (3) ed un secondo pannello (11) collocato in corrispondenza di detta caldaia (4).
11. 11. Pannello (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 - 10, caratterizzato dal fatto che detti mezzi isolanti comprendono una cornice (12), un terzo pannello (13).
12. 12. Pannello (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un coperchio metallico (14) posteriore di chiusura.
13. 13. Pannello (1) secondo ognuna delle rivendicazioni precedenti sostanzialmente come illustrato e descritto.