EE01675U1 - Hoone heitõhku kasutav integreeritud termoelektriliste generaatoritega päikeseenergia süsteem - Google Patents

Abstract

Leiutis käsitleb integreeritud fotogalvaanilis-termoelektrilist energiasüsteemi, mis stabiliseerib fotogalvaanilise paneeli temperatuuri ja toodab samal ajal täiendavat elektrienergiat. Süsteem koosneb fotogalvaanilisest paneelist, vahetult paneeli all paiknevast termoelektriliste generaatorite kihist ning suure soojusjuhtivusega soojusvahetist, mis paikneb generaatorite all. Soojusvaheti on vähemalt ühe termiliselt isoleeritud torustiku kaudu termiliselt ühendatud hoone HVAC heitõhukanaliga, nii et heitõhk toimib juhitava soojusreservuaarina. Energiahaldusseade ühendab fotogalvaanilise paneeli ja termoelektrilised generaatorid elektriliselt, et liita nende väljundid. Kui heitõhu temperatuur erineb ümbritseva õhu temperatuurist, tekib generaatorite ulatuses temperatuurigradient, mis toodab elektrienergiat ja kannab soojust fotogalvaanilisele paneelile või sealt ära.

Description

[0001] TEHNIKAVALDKOND

[0003] Käesolev leiutis käsitleb taastuvenergia süsteeme, täpsemalt termoelektriliste generaatorite integreerimist fotogalvaaniliste paneelidega. Leiutis kasutab hoone heitõhu ja fotogalvaanilise paneeli pinna vahel tekkivat temperatuurierinevust elektri tootmiseks termoelektriliste generaatorite abil, parandades sellega energiatõhusust ning säilitades fotogalvaaniliste paneelide optimaalse töövõime erinevates kliimatingimustes.

[0005] TEHNIKA TASE

[0006] WO 2020/072021 A2 kirjeldab fotogalvaaniliste paneelide konfiguratsiooni, mis kasutab paneeli soojuse hajutamiseks ja üldise tõhususe suurendamiseks Peltierseadet (termoelektrilist moodulit) koos ülijuhtiva jahutiga. Kuigi see kasutab paneeli jääksoojust lisaelektri tootmiseks, ei hõlma see välisõhu voogude allikaid – näiteks hoone HVAC-süsteemi (küte, ventilatsioon ja õhukonditsioneerimine) heitõhku – paneeli temperatuuri dünaamiliseks reguleerimiseks erinevates kliimatingimustes.

[0007] US 2020/0056795 A1 kirjeldab HVAC-süsteemile spetsiaalselt loodud termoelektrilist soojusvahetit. Kuigi dokumendis kirjeldatakse termoelektriliste moodulite kasutamist õhuvoolu soojendamiseks või jahutamiseks, piirdub süsteem siiski torustikupõhise soojusvahetiga ega kombineeri HVAC-i heitõhku fotogalvaaniliste paneelidega paneelide tõhususe optimeerimiseks või elektri tootmiseks temperatuurierinevuse abil.

[0009] CN 201878057 U kirjeldab termoelektriliste generaatoritega (TEG) varustatud päikeseenergiaseadet. TEG-id paigutatakse fotogalvaaniliste paneelide alla, et taaskasutada jääksoojust ja parandada paneelide töövõimet. Siiski ei kaasata hoone HVAC-süsteemi heitõhku juhitava sooja- või külmaallikana, mis võimaldaks paneelidel aastaringselt kliimatingimustega toimetulla.

[0011] AU 2012201213 A1 kirjeldab mitmeallikalist, modulaarset energiasüsteemi, mis kogub geotermaalset ja päikesesoojust ning sisaldab valikuliselt termoelektrilist generaatorit. Kuigi seal rõhutatakse pinnase ja päikese soojusvahetust HVACsüsteemidele, ei käsitle see hoone HVAC-heitõhu kasutamist fotogalvaaniliste paneelide all paneelide temperatuuri reguleerimiseks nii soojades kui ka külmades tingimustes.

[0013] WO 2021040666 A1 kirjeldab PV-TE (fotogalvaanilist-termoelektrilist) hübriidmoodulit fotogalvaaniliste paneelide jahutamiseks ja soojendamiseks – eriti lume sulatamiseks. See tugineb paneeli või aku poolt otse toidetavatele Peltiermoodulitele ega kasuta hoone HVAC-süsteemi heitõhku. Seega ei rakenda see heitõhku termilise reservuaarina erinevatel aastaaegadel.

[0015] JP 2005116698 A kirjeldab väikest hajuspaigutusega päikeseelemendi seadet, mis sisaldab Peltier-mooduleid lokaalseks soojendamiseks või jahutamiseks. Kuigi termoelektriliste elementide integreerimine päikeseelementide kõrvale on asjakohane, ei hõlma süsteem ühtegi välisõhu kanalit – eriti hoone HVAC-süsteemi heitõhku – paneelide kliimapõhiseks temperatuuri reguleerimiseks.

[0017] Peltier-moodulite integreerimine fotogalvaaniliste paneelidega, et kasutada fotogalvaaniliste paneelide kõrgendatud pinnatemperatuurist tulenevat jääksoojust, on olnud paljude uuringute ja patentide teemaks, nagu eespool käsitletud.

[0019] WO 2020/072021 A2 on tehnilise kirjelduse poolest – täiendava elektrienergia tootmine fotogalvaanilise paneeli pinna ja jahuti (konkreetses patendis nimetatud ülijuhtivaks jahutiks) temperatuurierinevusest – käesolevale leiutisele kõige lähem. Selles lahenduses on Peltier-moodul paigutatud fotogalvaanilise paneeli ja jahuti vahele. Selle lahenduse tehnilisteks probleemideks või puudusteks on süsteemi tööks vajaliku soojusreservuaari puudumine ning sellest tulenevalt seadme töökõlblikkus üksnes kuumades kliimatingimustes, kus fotogalvaanilise paneeli pinnatemperatuur on kõrgem kui ümbritseva õhu temperatuur.

[0021] US 2020/0248913 A1 kirjeldab päikeseenergiaseadet, milles fotogalvaanilised paneelid on termiliselt ühendatud termoelektriliste generaatoritega. Termoelektrilised generaatorid toodavad elektrienergiat temperatuurigradiendi abil, mis tekib paneelide ja kliimaseadme kondensaadialusest pärineva külmaveereservuaari vahel. Lahenduses ei ole aga kirjeldatud hoone HVAC-süsteemi heitõhu kasutamist juhitava soojusreservuaarina ega kahepoolset reguleerimist sõltuvalt kliimatingimustest.

[0023] US 12100778 B2 kirjeldab soojusjuhtimisseadet fotogalvaanilistele paneelidele, mis

[0024] sisaldab faasimuutmaterjali kihti, sellele kinnitatud Seebecki termoelektrilist generaatorit ning soojust hajutavat radiaatorit koos vesijahutusega spiraaltoruga. Süsteemi eesmärk on salvestada paneeli liigselt kogunev soojus, stabiliseerida töötemperatuur ja toota lisaks elektrienergiat termoelektriliste generaatorite abil. Lahendus tugineb seega faasimuutmaterjali ja kohaliku soojusvaheti kombinatsioonile ega hõlma hoone HVAC-süsteemi heitõhu kasutamist juhitava soojusreservuaarina aastaringseks temperatuuri reguleerimiseks.

[0026] US 11996805 B1 kirjeldab fotogalvaanilise jahutussüsteemi, mis sisaldab jahutusmoodulit kohaliku joavoolu sisselaskeavaga ja ristvoolu sisselaskeavaga, samuti väljalaskeavaga vastasküljel. Jahutusmoodulile on paigutatud termoelektriline generaator ning selle peale fotogalvaaniline moodul. Süsteemi eesmärk on parandada jahutusefektiivsust, kombineerides joavoolu ja ristvoolu, et hoida paneelide töötemperatuur madalamal. Lahendus keskendub õhuvoolude juhtimisele ega hõlma hoone HVAC-süsteemi heitõhu kasutamist juhitava soojusreservuaarina aastaringseks temperatuuri reguleerimiseks.

[0028] US 20230223901 A1 kirjeldab jahutussüsteemi, milles keskse kliimaseadme mooduli väljalaskeavale on ühendatud väljatõmbeventilaator, mis suunab konditsioneeri heitõhu fotogalvaaniliste paneelide tagakülgedele. Paneelid on paigutatud ventilaatori ette kindla nurga ja asimuudiga, et tagada maksimaalne pindala jahutusõhule. Lahenduse eesmärk on vähendada paneelide töötemperatuuri ja parandada nende jõudlust, kasutades selleks konditsioneeri jäätõhku. Süsteem ei hõlma aga termoelektriliste generaatorite integreerimist ega kahesuunalist temperatuuri reguleerimist, mis võimaldaks samaaegselt nii suvist jahutust kui ka talvist soojendamist.

[0030] Käesolev leiutis viib tehnika arengut edasi, integreerides hoone HVAC-heitõhu päikeseenergia tootmissüsteemiga ning pakkudes seeläbi soojusreservuaari soojusvahetuseks jahutiga. Fotogalvaaniliste paneelide tõhusus võib äärmuslike temperatuuride tõttu väheneda nii kuumas kui ka külmas kliimas. Külmas kliimas vähendavad väiksem päikesekiirguse intensiivsus ja lumekate energiakonversiooni efektiivsust, samas kui kuumas kliimas suurendab liigne kuumus fotogalvaaniliste materjalide takistust, põhjustades jõudluskadu. Pakutav süsteem töötab võrdselt hästi nii kuumades kui ka külmades kliimatingimustes, hoides fotogalvaanilise

[0031] paneeli temperatuuri selle optimaalse energia tootmise vahemikus ning samal ajal tootes Peltier-mooduli abil lisaks elektrienergiat.

[0033] LEIUTISE OLEMUS

[0035] Leiutis hõlmab süsteemi, milles termoelektrilised generaatorid on paigaldatud fotogalvaaniliste paneelide alla. Kõrge soojusjuhtivusega materjalist valmistatud soojusvaheti, mis on ühendatud hoone HVAC-süsteemi heitõhukanaliga, on paigutatud termoelektriliste generaatorite alla. Soojusvaheti ühendus hoone heitõhukanaliga on teostatud termiliselt isoleeritud torustike kaudu. Termiliselt hästi juhtiv ja elektriliselt isoleeriv kiht on paigaldatud termoelektriliste generaatorite mõlemale küljele, fotogalvaanilise paneeli ja Soojusvaheti poole. Süsteem kasutab ära hoone HVAC-süsteemi, mis reguleerib sisekliimat kütte või jahutusega, ning tekitab seetõttu heitõhu, mille temperatuur erineb välisõhu temperatuurist.

[0037] Lisaks sisaldab süsteem energiahaldusseadet, mis on elektriliselt ühendatud nii fotogalvaanilise paneeli kui ka termoelektriliste generaatoritega ning on seadistatud ühendama nende elektriväljundeid ühtseks energiaväljundiks. Energiahaldusseade tagab fotogalvaanilise paneeli ja termoelektriliste generaatorite väljundite kombineerimise ning võimaldab süsteemi elektrilise energia tõhusat juhtimist.

[0039] Üksikute fotogalvaaniliste paneelide tõhusus võib äärmuslike temperatuuride tõttu langeda nii kuumas kui ka külmas kliimas. Külmas kliimas vähendavad väiksem päikesekiirguse intensiivsus ja lumekate energiakonversiooni efektiivsust, samas kui kuumas kliimas suurendab liigne kuumus fotogalvaaniliste materjalide takistust, põhjustades jõudluskaotust.

[0041] Külmas kliimas on hoone heitõhu temperatuur kõrgem kui välisõhk ja fotogalvaaniliste paneelide pinnatemperatuur. Soe heitõhk soojendab termoelektriliste generaatorite alumist külge soojusvaheti kaudu, mis on termiliselt isoleeritud torustike abil ühendatud HVAC-süsteemi heitõhukanaliga, samal ajal kui termoelektriliste generaatorite ülemist külge jahutab külm fotogalvaanilise paneeli pind, mis on otseses kokkupuutes välisõhuga. Nii tekib termiline gradient, mis toodab termoelektriliste generaatorite abil lisaks elektrienergiat. See soojusvoog soojusvahetist fotogalvaanilise paneeli pinnale soojendab ka paneele, soodustades lume sulamist ja kogunenud lume eemaldamist ning võimaldades päikesekiirgusel jõuda fotogalvaanilise pinnani.

[0042] Kuumades kliimatingimustes on hoone heitõhk siseruumide jahutamise tõttu jahedam kui välisõhk ja fotogalvaaniliste paneelide pinnatemperatuur. Jahedam heitõhk neelab soojust termoelektriliste generaatorite alumisest küljest soojusvaheti kaudu, samal ajal kui nende ülemist külge kuumutavad kuumad fotogalvaaniliste paneelid, mis on otseses kokkupuutes päikesekiirguse ja ümbritseva õhuga. See vastupidine termiline gradient toodab samuti elektrienergiat termoelektriliste generaatorite abil. Soojusvoog fotogalvaaniliselt paneelilt soojusvahetini jahutab ka fotogalvaanilisi paneele, hoides nende temperatuuri optimaalses töövahemikus ja vältides ülekuumenemisest tingitud tõhususkaotust.

[0044] Selle leiutise abil kasutatakse fotogalvaanilise paneeli pinna ja hoone HVAC heitõhu vahel tekkivat temperatuurigradienti pidevaks termoelektriliseks elektrienergia tootmiseks nii kuumas kui ka külmas kliimas. Temperatuurigradientist tingitud soojusvoog reguleerib lisaks fotogalvaanilise paneeli temperatuuri selle soovitatud töövahemikus.

[0046] ILLUSTRATSIOONIDE LOETELU

[0048] Käesolev leiutis on allpool kirjeldatud koos kaasnevate joonistega, millest:

[0050] FIG illustreerib integreeritud päikeseenergiaga süsteemi konfiguratsiooni, mis hõlmab termoelektrilisi generaatoreid ja hoone heitõhku.

[0052] LEIUTISE TEOSTAMISE NÄIDE

[0054] Käesoleva leiutise näidisrakendust on näidatud FIG. Süsteem koosneb fotogalvaanilisest paneelist 1, termoelektriliste generaatorite kihist 3, kõrge soojusjuhtivusega alumiinium- või vaske sisaldavast sulamist valmistatud soojusvaheti 2, hoone kütteseadme, ventilatsiooni ja õhukonditsioneerimise (HVAC) heitõhukanalist 4, kõrge soojusjuhtivusega alumiinium- või vasksulamist valmistatud torust 5, mis ümbritseb heitõhukanalit 4, termiliselt hästi juhtivast ja elektriliselt isoleerivast vahekihist ning energiahaldusseadmest . Fotogalvaanilise paneeli 1 vahetult all paikneb termoelektriliste generaatorite kiht 3, milles üksikud termoelektrilised generaatorid on kihis omavahel ühendatud jada- või paralleelühendustena. Termoelektriliste generaatorite kihi 3 all paikneb soojusvaheti 2. Paneeli ja iga termoelektrilise generaatori vahel ning iga

[0055] termoelektrilise generaatori ja soojusvaheti vahel asub termiliselt juhtiv ja elektriliselt isoleeriv kiht. Soojusvaheti on ühendatud hoone HVAC-süsteemi heitõhukanaliga 4 termiliselt isoleeritud torustike 6 kaudu.

[0057] Külmas kliimas, kui välisõhu temperatuur ja fotogalvaanilise paneeli 1 pinnatemperatuur on madalamad kui HVAC-süsteemi heitõhu temperatuur, liigub soojus heitõhukanalist 4 torustike 5 ja 6 kaudu soojusvahetisse 2 ning sealt edasi, läbides termoelektriliste generaatorite kihi 3, fotogalvaanilise paneeli 1 pinnale.

[0058] Termoelektriliste generaatorite 3 ülemisi pindu jahutab külmem fotogalvaaniline paneel 1, samas kui nende alumisi pindu soojendab soojem soojusvaheti 2, mistõttu tekib igas termoelektrilises generaatoris temperatuurigradient, mis toodab elektrienergiat.

[0059] Termoelektriliste generaatorite 3 kaudu kanduv soojus soojendab lisaks paneeli 1 pinda, sulatades kogunenud lume ja eemaldades selle, mis muidu blokeeriks päikesekiirgust ning vähendaks fotogalvaanilise paneeli 1 elektritootmist.

[0061] Kuumades kliimatingimustes, kui välisõhu temperatuur ja fotogalvaanilise paneeli 1 pinnatemperatuur ületavad HVAC-süsteemi heitõhu temperatuuri, liigub soojus fotogalvaaniliselt paneelilt 1 allapoole läbi termoelektriliste generaatorite kihi 3 soojusvahetisse 2 ning sealt torustike 5 ja 6 kaudu jahedamasse heitõhukanalisse 4. Termoelektriliste generaatorite 3 alumisi pindu jahutab külmem soojusvaheti 2, samas kui nende ülemisi pindu soojendab kuumem fotogalvaaniline paneel 1, mistõttu tekib vastupidine temperatuurigradient, mis toodab elektrienergiat. See soojusülekanne jahutab ka fotogalvaanilise paneeli 1 pinda, vältides ülekuumenemisest põhjustatud tõhususkaotust fotogalvaanilisel paneelil 1.

[0063] Fotogalvaanilise paneeli ja termoelektriliste generaatorite elektriväljundid suunatakse elektrijuhtmete kaudu energiahaldusseadmesse , mis ühendab mõlema väljundvõimsuse.

[0065] KONSTRUKTSIOONIELEMENTIDE POSITSIOONINUMBRID

[0067] 1. Fotogalvaanilise paneel

[0068] 2. Soojusvaheti

[0069] 3. Termoelektriline generaator

[0070] 4. Hoone heitõhukanal

[0071] 5. Heitõhukanalit ümbritsev torustik

[0072] 6. Termiliselt isoleeritud torustik heitõhukanali ja soojusvaheti vahel

Claims (1)

1. Hoone heitõhku kasutav integreeritud termoelektriliste generaatoritega päikeseenergia süsteem, mis koosneb vähemalt ühest ümbritsevasse õhku paigutatud fotogalvaanilisest paneelist, vahetult paneeli alla paigutatud termiliselt juhtivast ja elektriliselt isoleerivast kihist, vahetult termiliselt juhtiva ja elektriliselt isoleeriva kihi alla paigutatud termoelektriliste generaatorite kihist, vahetult termoelektriliste generaatorite kihi alla paigutatud termiliselt juhtivast ja elektriliselt isoleerivast kihist ning vahetult termiliselt juhtiva ja elektriliselt isoleeriva kihi alla paigutatud suure soojusjuhtivusega materjalist valmistatud soojusvahetist, mida iseloomustab see, et soojusvaheti on vähemalt ühe termiliselt isoleeritud torustiku kaudu termiliselt ühendatud hoone kütteseadme, ventilatsiooni ja õhukonditsioneerimise (HVAC) heitõhukanaliga, ning moodul sisaldab lisaks energiahaldusseadet, mis on elektriliselt ühendatud nii fotogalvaanilise paneeli kui ka termoelektriliste generaatoritega ja on seadistatud ühendama nende elektriväljundeid.