ITTO20110554A1 - Pannello solare ibrido - Google Patents

Description

“Pannello solare ibridoâ€

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce a un pannello solare ibrido, del tipo comprendente una pluralità di celle fotovoltaiche e mezzi di raffreddamento delle suddette celle fotovoltaiche predisposti per trasferire un flusso termico a un fluido, ad esempio acqua, veicolato all’esterno per altri impieghi.

In particolare, l'invenzione si riferisce a un pannello fotovoltaico ibrido comprendente:

- uno strato fotovoltaico includente una pluralità di celle fotovoltaiche,

- uno strato di scambio termico includente mezzi di raffreddamento di dette celle fotovoltaiche,

- un elemento collettore predisposto per veicolare un fluido, particolarmente un liquido, in relazione di scambio termico con detto strato di scambio termico,

in cui

lo strato di scambio termico comprende uno o più dispositivi a condotto termico atti a contenere un fluido termovettore e ciascuno comprendente:

- un lato di evaporazione del fluido termovettore predisposto per assorbire un flusso di calore dalle celle fotovoltaiche e definente detti mezzi di raffreddamento, - un lato di condensazione del fluido termovettore in corrispondenza del quale à ̈ applicato detto elemento collettore,

in cui le celle fotovoltaiche dello strato fotovoltaico sono applicate in corrispondenza del lato di evaporazione di detti uno o più dispositivi a condotto termico e sono in relazione di scambio termico con essi.

Tecnica nota

I pannelli solari di tipo ibrido sono ampiamente noti nel campo tecnico di riferimento e offrono tanto la possibilità di trasformare l'energia associata alla radiazione solare in energia elettrica mediante celle fotovoltaiche quanto alla possibilità di riscaldare un fluido, in particolare un liquido, mediante un circuito di raffreddamento delle celle fotovoltaiche stesse.

Diverse soluzioni note prevedono l'utilizzo di scambiatori di calore realizzati con tecnologia roll-bond e disposti in corrispondenza di un dorso delle celle fotovoltaiche. Tuttavia, a fronte degli indubbi benefici tipici delle soluzioni realizzate con tecnologia roll-bond, che comprendono ad esempio il costo molto competitivo, le buone prestazioni e la relativa semplicità della realizzazione, vi sono una serie di problemi tecnici che non possono essere considerati risolti.

In particolare, l'utilizzo di uno scambiatore di calore realizzato con tecnologia roll-bond implica, a causa delle dimensioni relativamente piccole delle sezioni di passaggio dei canali dello scambiatore, di dover tollerare perdite di carico elevate del fluido all'interno dello scambiatore, con conseguente aumento della potenza necessaria per il trascinamento in rotazione di una pompa predisposta per far circolare un fluido di raffreddamento, in particolare un liquido, all'interno dello scambiatore suddetto.

I problemi succitati sono ulteriormente aggravati dal fatto che il fluido di raffreddamento utilizzato à ̈ nella quasi totalità dei casi acqua, che crea non pochi problemi nell’impiego con le leghe di alluminio delle quali sono realizzati gli scambiatori di calore prodotti con tecnologia roll-bond.

Infatti, in presenza di soluzioni acquose l'alluminio puro o in lega presenta un comportamento anfotero, il che lo rende soggetto a fenomeni di corrosione distruttivi. Nelle soluzioni note il problema viene risolto tramite additivi che vengono periodicamente immessi nel circuito di raffreddamento, i quali però possono provocare incrostazioni e hanno un costo tutt'altro che trascurabile.

Oltretutto, i pannelli solari ibridi di tipo noto realizzati con scambiatori di calore prodotti con tecnologia roll-bond presentano talvolta forti disuniformità termiche fra diverse aree del pannello che si accentuano durante i transitori di funzionamento. Tali disuniformità termiche riducono notevolmente l'efficienza delle celle fotovoltaiche, specie qualora esse siano connesse in serie.

Non va dimenticato infatti che l'efficienza delle celle fotovoltaiche tendenzialmente aumenta al diminuire della loro temperatura, ragion per cui il raffreddamento di esse é un fatto benefico non solo perché consente di ottenere un ulteriore effetto energetico utile, ma anche perché aumenta l'efficienza di conversione delle celle fotovoltaiche.

Una ulteriore soluzione nota à ̈ illustrata nel documento WO-A-2011/032164, in cui viene illustrato un pannello solare ibrido comprendente uno strato di celle fotovoltaiche disposte a schiere su alette di rispettivi dispositivi a condotto termico (c.d. "heat pipe"). Come noto al tecnico del ramo, i dispositivi a condotto termico comprendono un fluido termovettore all'interno di essi che subisce due passaggi di fase, uno all'interno di un lato di evaporazione (liquido-gassoso) l'altro all'interno di un lato di condensazione (gassoso-liquido) e funzionano sostanzialmente come un diodo termico, ossia esiste un unico verso di circolazione del fluido termovettore all'interno di essi e un unico verso di trasferimento del calore.

Le celle fotovoltaiche sono disposte su alette applicate in corrispondenza del lato di evaporazione dei dispositivi a condotto termico mentre i lati di condensazione di ciascun dispositivo a condotto termico sono inseriti in una testata ove scambiano calore con un fluido che scorre all'interno di essa.

La soluzione illustrata nel documento WO-A-2011/032164 presenta innanzitutto una notevole complicazione dal punto di vista costruttivo. Inoltre, i dispositivi a condotto termico utilizzati hanno struttura tubolare e avendo un unico volume interno entro il quale avvengono i cambiamenti di fase del fluido termovettore, sono fortemente limitati nel loro funzionamento da problemi di trascinamento, ossia di migrazione di particelle di fluido termovettore in fase liquida nella corrente gassosa del medesimo fluido termovettore che risale verso il lato di condensazione.

La struttura del pannello solare ibrido presentato nel suddetto documento à ̈ inoltre decisamente poco compatta ed à ̈ pertanto poco indicata all'applicazione in contesti che richiedano il minor ingombro possibile o un agevole camuffamento del pannello solare.

Scopo dell'invenzione

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i problemi tecnici precedentemente descritti.

In particolare, lo scopo dell'invenzione à ̈ quello di fornire un pannello solare ibrido a struttura compatta, di semplice costruzione, di basso costo e di elevata efficienza.

Sintesi dell'invenzione

Lo scopo dell'invenzione raggiunto da un pannello solare ibrido avente le caratteristiche formanti oggetto di una o più delle rivendicazioni che seguono, le quali formano parte integrante dell'insegnamento tecnico qui somministrato in relazione all'invenzione.

In particolare, lo scopo à ̈ raggiunto da un pannello solare ibrido avente tutte le caratteristiche elencate all'inizio della presente descrizione e caratterizzato inoltre dal fatto che ciascun dispositivo a condotto termico comprende un circuito chiuso predisposto per la circolazione del fluido termovettore e includente un primo canale atto a ricevere il fluido termovettore in fase liquida dal lato di condensazione e atto a veicolarlo verso almeno un secondo canale, il quale à ̈ a sua volta atto a veicolare il fluido termovettore in fase vapore verso il lato di condensazione, in cui ciascun dispositivo a condotto termico é realizzato mediante unione di un primo e un secondo foglio di materiale metallico in corrispondenza di aree delimitanti detto circuito chiuso di ciascun dispositivo a condotto termico.

Breve descrizione delle figure

L’invenzione sarà ora descritta con riferimento alle figure annesse, date a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 é una vista prospettica di un pannello solare ibrido in base a una forma di esecuzione preferita dell'invenzione,

- la figura 2 é vista prospettica esplosa del pannello solare di figura 1,

- le figure 3 e 4 sono viste in pianta, rispettivamente secondo le frecce III e IV di figura 2 di un componente del pannello secondo l'intenzione,

- le figure 5 e 6 sono viste ingrandite di particolari indicati con le frecce V e VI in figura 3,

- le figure 7 e 8 sono viste secondo le frecce VII e VIII di figura 1,

- le figure 9 e 10 sono viste in sezione secondo le tracce, rispettivamente, IX - IX e X - X di figura 7.

- la figura 11 illustra una ulteriore forma di esecuzione di un componente del pannello secondo l’invenzione, e

- le figure 12, 13 sono viste ingrandite di particolari indicati, rispettivamente, con frecce XII, XIII in figura 11.

Descrizione particolareggiata

In figura 1 il numero di riferimento 1 indica un pannello solare ibrido in base a una forma di esecuzione preferita della presente invenzione.

Con riferimento inoltre alla figura 2, il pannello solare ibrido 1 comprende uno strato fotovoltaico 2 includente una pluralità di celle fotovoltaiche 4, uno strato di scambio termico 6 e un pannello dorsale 8, in cui lo strato di scambio termico 6 à ̈ disposto fra lo strato fotovoltaico 2 e il pannello dorsale 8. Il pannello solare 1 comprende inoltre un elemento collettore 10, all’interno del quale à ̈ ricavato un condotto 11, e una piattabanda 12 disposti da parti opposte dell'elemento di scambio termico 6 esternamente rispetto allo strato fotovoltaico 2 al pannello dorsale 8.

Con riferimento alla figura 1, lo strato fotovoltaico 2, lo stato di scambio termico 6 e il pannello dorsale 8 sono chiusi a pacco fra di loro mediante una cornice 14, di preferenza comprendente profilati metallici.

Con riferimento alle figure 3, 4, lo strato di scambio termico 6 comprende una pluralità di dispositivi a condotto termico indicati con il numero di riferimento 16 contenenti un fluido termovettore e realizzati mediante l'unione con tecnologia roll-bond di un primo e un secondo foglio S1, S2 di materiale metallico, di preferenza alluminio.

Come noto al tecnico del ramo, la tecnologia roll-bond prevede la creazione di intercapedini e/o canali, aventi un percorso qualsiasi, fra due fogli di materiale metallico tramite l'applicazione di una serigrafia riproducente, sostanzialmente in pianta, il percorso delle intercapedini e/o dei canali e la successiva pressatura e laminazione a caldo dei fogli di lamiera. Quest’ultima operazione provoca la giunzione del materiale solo in corrispondenza delle aree dove non à ̈ stata applicata la serigrafia, ossia in corrispondenza delle aree delimitanti i canali e/o le intercapedini.

Successivamente, i volumi delle intercapedini e/o dei canali prendono forma mediante gonfiaggio pneumatico, che prevede l’inoculazione di aria in pressione (tipicamente compresa fra 90 e 130 bar) fra i fogli di lamiera. La pressione dell’aria à ̈ comunque dipendente dagli spessori, dalla natura delle lamiere unite e dalla conformazione delle intercapedini e/o canali.

Ciascun dispositivo a condotto termico 16 comprende un circuito chiuso predisposto per la circolazione del fluido termovettore e comprendente un lato di evaporazione 18 e un lato di condensazione 20 del fluido termovettore separati da una zona adiabatica 22.

Dette inoltre LC, LEed LAle lunghezze, rispettivamente, del lato di condensazione 18 e del lato di evaporazione 20 di ciascun singolo dispositivo a condotto termico 16 e della zona adiabatica 22, e detta inoltre LTOTla loro somma, valori tipici sono:

- compresi fra 0,03 e 0,4 per LC/LTOT

- compresi fra 0,5 e 0,97 mm per LE/LTOT, e

- compresi fra 0,001 e 0,4 per LA/LTOT

Il lato di evaporazione 18 comprende un primo canale 24 in comunicazione di fluido con un secondo canale 26 mediante un tratto di collegamento 28, avente geometria sostanzialmente a "U" e disposto a un'estremità opposta rispetto al lato di condensazione 20.

Quest'ultimo comprende un serbatoio 30 in comunicazione di fluido con il primo canale 24 mediante una bocca di deflusso 32 e in comunicazione di fluido con il secondo canale 26 mediante una bocca di afflusso 34.

Il termine "serbatoio" utilizzato nella presente descrizione intende indicare una porzione del circuito chiuso entro il quale scorre (e viene accumulato temporaneamente) fluido termovettore, avente sezioni di passaggio apprezzabilmente superiori rispetto a quelli dei canali 24, 26 (e in generale del resto del circuito) e tali da introdurre una capacità idraulica localizzata nel circuito chiuso.

Con riferimento alle figure 5, 6, in una forma di esecuzione preferita il primo canale 24 à ̈ in comunicazione di fluido con la bocca di deflusso 32 mediante un condotto a sifone indicato globalmente con il numero di riferimento 36. Il condotto a sifone 36 comprende una prima e una seconda ansa 38, 40 disposte fluidodinamicamente in serie, in cui – in questa forma di esecuzione - l’ansa 38 si trova a una distanza D38dal serbatoio 30 superiore a una distanza D40della seconda ansa 40 dal serbatoio 30 stesso. Inoltre, le anse 38,40 definiscono un percorso curvo avente forma sostanzialmente a "S" comprendente una tratto di deflusso 38a che collega la bocca di deflusso 32 alla prima ansa 38, la quale realizza una prima curva di ampiezza di preferenza pari a 180° che si immette su un tratto di risalita 40a. Il tratto di risalita 40a sfocia direttamente nella seconda ansa 40, la quale a sua volta realizza una seconda curva, di ampiezza preferibilmente pari a 180°, per sfociare quindi direttamente nel primo canale 24.

Si osservi che l'ampiezza delle curve delle anse 38,40 può essere scelta a piacere, nei limiti imposti dalla funzione del condotto a sifone 36, come apparirà più chiaro in seguito. Inoltre, utilizzando come riferimento il serbatoio 30 l'ansa 40 ha una quota geometrica superiore rispetto all'ansa 38. Utilizzando la stessa logica la bocca di deflusso 32 ha una quota geometrica inferiore rispetto alla bocca di afflusso 34. Anche il significato del termine "quota geometrica" risulterà più chiaro nel seguito, con riferimento in particolare alla descrizione funzionale del pannello solare 1.

Con riferimento alle figure 3 a 6, si osservi inoltre che di preferenza il condotto a sifone 36 e le bocche di afflusso e deflusso 34, 32 sono realizzate nel lato di condensazione 20.

Ciascun primo canale 24 é di preferenza bordato, lungo il lato di evaporazione 18, da una prima e una seconda interruzione termica 42, 44. Con il termine "interruzione termica" si intende designare un’interruzione fisica del materiale dei fogli S1, S2 o un inserto di materiale termicamente isolante o ancora una combinazione di entrambi, e in generale una qualsiasi predisposizione atta a limitare lo scambio termico conduttivo fra il canale 24 e il materiale metallico dei fogli S1, S2 circostante – che funge sostanzialmente da aletta ed à ̈ pertanto potenzialmente in grado di veicolare un massiccio flusso termico.

Le interruzioni termiche 42 e 44 si estendono sostanzialmente da una area di confine con la zona adiabatica 22 fino in corrispondenza del tratto di collegamento 28.

Inoltre le interruzioni termiche 42, 44 possono comprendere, ad esempio, interruzioni del materiale dei fogli S1, S2 realizzate mediante taglio laser, inserti di materiale termicamente isolante o una combinazione di essi.

La zona adiabatica 22 comprende una pluralità di aperture aventi orientamento sostanzialmente trasversale rispetto al primo e al secondo canale 24, 26 e comprendenti prime aperture 46 disposte fra i canali 24, 26 di ciascun dispositivo a condotto termico 16 e una pluralità di seconde aperture 48 disposte canali 26 e 24 di dispositivi a condotto termico 16 adiacenti.

Alle estremità della schiera dei dispositivi 16 sono previsti inoltre recessi 50. Le aperture 46, 48 e i recessi 50 hanno la funzione di limitare la continuità strutturale fra il lato di condensazione 20 e il lato di evaporazione 18 solo alle zone ove questo sia strettamente necessario, limitando in tal modo il flusso termico trasmissibile per conduzione fra il lato di evaporazione 18 e il lato di condensazione 20 (in tal senso definiscono anch’esse una interruzione termica).

Con riferimento inoltre alle figure 3, 4, in base a un vantaggioso aspetto dell’invenzione il percorso dei canali 24, 26, del tratto di collegamento 28, del condotto a sifone 36 e il serbatoio 16 sono realizzati mediante rigonfiamento verso l'esterno di uno solo dei fogli S1, S2, in particolare il foglio S1.

Questo perché, con riferimento alla figura 4, per l'applicazione qui considerata à ̈ preferibile avere una superficie, corrispondente al foglio S2, sostanzialmente planare per l'accoppiamento con lo strato fotovoltaico 2.

È preferibile avere il foglio S2 con geometria planare almeno in corrispondenza del lato di evaporazione 18 di ciascun dispositivo a condotto termico 16, e ancora di preferenza in corrispondenza dell’intera estensione di ciascun dispositivo a condotto termico 16.

Come visibile inoltre in figura 4, di preferenza le interruzioni termiche 42, 44 sono passanti e attraversano entrambi i fogli S1, S2. Ciò vale anche nel caso in cui le interruzioni termiche siano realizzate, ad esempio, mediante inserti di materiale termicamente isolante.

Con riferimento alla figura 2 e alle figure 7 a 10, verrà brevemente descritta la modalità con cui i componenti del pannello 1 sono assemblati fra loro.

Lo strato di scambio termico 6 Ã ̈ disposto fra lo strato fotovoltaico 2 e il pannello dorsale 8 in modo che questi ultimi due si trovino da parti opposte rispetto allo strato di scambio termico 6 e siano disposti di preferenza unicamente in corrispondenza del lato di evaporazione dei dispositivi a condotto termico 16 ed eventualmente anche in corrispondenza della zona adiabatica 22.

In tal modo, una volta che gli strati 2, 6 e il pannello dorsale 8 sono bloccati e chiusi a pacco mediante la cornice 14, il lato di condensazione 20 di ciascuno dei dispositivi a condotto termico 16 rimane esposto all'esterno. Si osservi inoltre che la superficie planare del foglio S2 ben si presta all’accoppiamento con la superficie delle celle fotovoltaiche 4. Tale accoppiamento, come verrà in seguito descritto, può essere sia diretto, sia con un elemento interposto (indiretto).

Le parti in rilievo sulla superficie del foglio S1 vengono invece a contatto con il pannello dorsale 8. Per quanto riguarda il lato di condensazione 20, questo viene chiuso fra una piattabanda 12, disposta sul foglio S2 e avente funzione di schermatura contro la radiazione solare, e l'elemento collettore 10, che viene fissato dalla parte opposta del lato di condensazione 20 a contatto e in relazione di scambio termico con i serbatoi 30.

Il funzionamento del pannello solare 1 à ̈ il seguente. Il pannello solare 1 é atto all'installazione su una struttura di supporto quale, ad esempio, il tetto di un edificio, in modo che il lato di condensazione 20 dello strato di scambio termico 6 abbia una quota geometrica superiore rispetto al lato di evaporazione 18. Questo perché ciascun dispositivo a condotto termico 16 à ̈ predisposto per il funzionamento per gravità, ossia il fluido termovettore contenuto nel circuito chiuso di ciascuno di essi circola principalmente sotto l’azione della forza di gravità. Ciò chiarisce ulteriormente il significato del termine “quota geometrica†già utilizzato precedentemente con riferimento al serbatoio 30.

Il pannello 1 à ̈ istallato in modo che lo strato fotovoltaico 2 venga esposto direttamente alla radiazione solare, cosicché il pannello dorsale 8 risulta essere in ombra. Quando la radiazione solare incide sullo strato fotovoltaico 2 le celle fotovoltaiche 4 trasformano l'energia associata alla radiazione solare (almeno parte di essa) in energia elettrica che viene prelevata con dispositivi collettori di per sé noti. Contestualmente, le celle fotovoltaiche 4 subiscono un riscaldamento a causa sia dell'incidenza da parte della radiazione solare, sia della trasformazione dell'energia ricevuta in energia elettrica. In base alle modalità preferenziali con le quali i componenti del pannello 1 sono dimensionati e accoppiati fra loro (precedentemente descritte), le celle fotovoltaiche 4 si trovano accoppiate al foglio S2 dello strato di scambio termico 6 e sono applicate unicamente in corrispondenza del lato di evaporazione 18 di ciascun dispositivo 16. Le celle 4 possono essere applicate a diretto contatto con il foglio S2 o possono essere accoppiate ad esso tramite un sottile strato di materiale di accoppiamento, che svolge la funzione di ancoraggio e di prevenzione della creazione di punti caldi sulle celle fotovoltaiche 4

In tal modo le celle fotovoltaiche 4 trasferiscono un flusso termico allo strato di scambio termico 6 – in particolare al lato di evaporazione 18 di ciascun dispositivo 16 - che alimenta il funzionamento dei dispositivi a condotto termico 16 stessi, creando una differenza di temperatura fra il lato di evaporazione 18 e il lato di condensazione 20 e fornendo calore necessario affinché il fluido termovettore evapori nel canale 26, come verrà ora descritto.

Il primo canale 24 di ciascun dispositivo 16 é atto a ricevere il fluido termovettore in fase liquida (per gravità) dal serbatoio 30 attraverso il condotto a sifone 36, ed à ̈ atto a veicolare il fluido termovettore verso il secondo canale 26. In particolare, quando il fluido termovettore fuoriesce dal serbatoio 30 attraverso la bocca di deflusso 32, esso imbocca il condotto a sifone 36 subendo un riavvicinamento al serbatoio 30, a seguito della percorrenza del tratto di deflusso 38a, della prima ansa 38 e del tratto di risalita 40a, e un successivo allontanamento a seguito della percorrenza dell'ansa 40, dopo la quale il fluido viene avviato verso il canale 24.

Grazie alla presenza delle interruzioni termiche 42, 44 viene limitato fortemente lo scambio termico conduttivo fra il canale 24 di ciascun dispositivo 16 e il materiale circostante dei fogli S1, S2. Si osservi che ciò à ̈ molto importante poiché se non vi fosse una barriera sufficiente contro lo scambio termico conduttivo fra il canale 24 e il materiale metallico circostante, si avrebbe un grosso rischio di evaporazione prematura di fluido termovettore all'interno del canale 24, il quale à ̈ al contrario destinato a ospitare il fluido termovettore in fase liquida e a veicolarlo, possibilmente sempre in fase liquida, verso il canale 26.

Il fluido termovettore quindi imbocca il secondo canale 26 nel quale, grazie al flusso termico proveniente dalle celle fotovoltaiche 4, evapora e viene veicolato in fase vapore dal canale 26 al serbatoio 30. Si osservi che l’evaporazione é favorita, fra altri fattori, dall'assenza di interruzioni termiche attorno al canale 26.

Il lato di condensazione 20 Ã ̈ in relazione di scambio termico con un fluido, particolarmente acqua, che viene veicolato all'interno del condotto 11 dell'elemento collettore 10.

L'acqua che scorre entro il condotto 11 assorbe un flusso termico dal fluido termovettore in fase vapore che si avvia verso ed entra in ciascun serbatoio 30, provocandone la condensazione e la successiva ricaduta in fase liquida verso il fondo del serbatoio 30 stesso, ove si trova il corrispondente condotto a sifone 36.

In tal modo, l'acqua che scorre entro il condotto 11 aumenta di temperatura e può essere veicolata all'esterno del collettore 10 per l'utilizzo, ad esempio, come acqua calda sanitaria.

Il fluido termovettore all’interno di ciascuno dei dispositivi a condotto termico 16 percorre dunque un ciclo che comprende due cambiamenti di fase, l'uno nel lato di evaporazione 18, l'altro nel lato di condensazione 20. Tale processo procede spontaneamente e si ripete in modo ciclico fintanto che sussiste una differenza di temperatura apprezzabile fra il lato di condensazione 20 e il lato di evaporazione 18, in particolare la temperatura di quest'ultimo deve essere più alta.

In tal modo, oltre ad ottenere acqua calda che può essere impiegata altrove, si ottiene anche un raffreddamento delle celle fotovoltaiche 4 ad opera del fluido termovettore che scorre nel circuito chiuso di ciascun dispositivo a condotto termico 16, in particolare nel lato di evaporazione 18.

Si osservi inoltre che il fluido termovettore può essere, e preferibilmente lo à ̈, diverso dall'acqua, il che elimina i problemi di corrosione dell'alluminio precedentemente citati.

Grazie inoltre al funzionamento per gravità e al procedere sostanzialmente spontaneo del ciclo del fluido termovettore non à ̈ necessaria una pompa per l’alimentazione di fluido al sistema di raffreddamento delle celle 4, che di fatto à ̈ definito dal lato di evaporazione di ciascun dispositivo 16.

In tal modo si abbatte la richiesta di potenza necessaria per il funzionamento dell'impianto, risparmiando la quota di potenza destinata all’azionamento di una pompa per liquido di raffreddamento. Le celle fotovoltaiche 4, inoltre, possono lavorare con rendimenti più elevati poiché la loro temperatura di esercizio viene mitigata dallo strato di scambio termico 6.

La struttura a circuito sostanzialmente sdoppiato di ciascun dispositivo a condotto termico 16, ossia comprendente un canale per il fluido termovettore in fase liquida e un canale per il fluido termovettore in fase vapore, garantisce inoltre l'assenza di problematiche di trascinamento di fluido termovettore in fase liquida nella corrente gassosa dello stesso fluido termovettore, in quanto sostanzialmente non vi sono zone di interfaccia a sviluppo longitudinale fra il fluido termovettore in fase liquida e il fluido termovettore in fase vapore in alcuno dei canali 24, 26. L'unica zona d'interfaccia à ̈ quella ove si realizza il passaggio di fase nel lato di evaporazione che ha un fronte a sviluppo preminentemente trasversale rispetto allo sviluppo dei canali 24, 26.

La presenza dei condotti a sifone 36 à ̈ poi molto importante nell'ottica del mantenimento della controllabilità del flusso termico trasmesso all’esterno attraverso il lato di condensazione 20 di ciascun dispositivo a condotto termico 16. In particolare, uno dei problemi più frequenti dei dispositivi a condotto termico di tipo noto à ̈ quello della totale (o pressoché totale) evaporazione del fluido termovettore a causa di un eccessivo flusso termico entrante nel sistema.

Grazie al condotto a sifone 36 à ̈ garantita la presenza di una certa quantità di fluido termovettore in fase liquida intrappolata fra la bocca di deflusso 32 ed eventualmente parte del serbatoio 30 - tipicamente in prossimità del fondo di esso - e la prima ansa 38. In tal modo si può avere comunque una certa quantità di fluido intrappolata in parte nel serbatoio 30, in parte nel tratto di deflusso 38a, in parte nella prima ansa 38 e in parte, eventualmente, nel tratto di risalita 40a.

Si osservi infatti che il funzionamento del condotto a sifone 36 à ̈ assimilabile a quello di uno scarico a sifone per un lavello di cucina, in cui si ha la presenza di una certa quantità di liquido in una sezione del sifone che si trova a una quota inferiore rispetto alla bocca di deflusso, in questo caso la bocca 32. In tal modo, anche in condizioni di massiccio trasferimento di calore dalle celle fotovoltaiche 4 à ̈ possibile mantenere la controllabilità del sistema e scongiurare l'evaporazione completa del fluido termovettore, mantenendo buone prestazioni anche sotto condizioni di impiego particolarmente gravose.

Un'ulteriore aiuto nella direzione del mantenimento della controllabilità del flusso termico trasferito all’esterno é offerto inoltre dalla piattabanda 12, di preferenza realizzata di materiale termicamente isolante, che offre un’azione di schermatura al lato di condensazione 20 sostanzialmente limitando il flusso termico trasferito per irraggiamento ai serbatoi 30.

Nelle forme di esecuzione descritte le celle fotovoltaiche 4 sono disposte preferibilmente unicamente in corrispondenza del lato di evaporazione dei dispositivi a condotto termico 16, in quanto à ̈ nel lato di evaporazione 6 che lo stato di scambio termico dovrebbe ricevere flusso termico affinché i dispositivi a condotto termico 16 funzionino al meglio. Si osservi infatti che nel caso di disposizione dello strato fotovoltaico 2, ad esempio, a cavallo fra i lati di condensazione 18 e di evaporazione 20 oppure in modo tale da coprirli entrambi, come accade in diversi dispositivi di tipo noto, si creerebbero numerose disuniformità nel campo di temperatura sul dorso delle celle 4 con conseguenti malfunzionamenti del sistema.

Numerose varianti e modifiche sono possibili senza per questo perdere i vantaggi qui descritti. È possibile ad esempio realizzare lo strato di scambio termico 6 con dispositivi a condotto termico a circuito sdoppiato privi di condotto a sifone 36, quindi più vicini a una soluzione tradizionale e nota. È altresì possibile realizzare i dispositivi a condotto termico 16 privi del serbatoio 30, realizzando quindi un sistema in cui la capacità idraulica à ̈ sostanzialmente di tipo distribuito.

È inoltre possibile variare il percorso dei canali 24, 26 in funzione delle esigenze. Nella forma di esecuzione preferita qui descritta i canali 24, 26 hanno sviluppo rettilineo ma sono possibili forme di esecuzione in cui, ad esempio, il canale 26 ha sviluppo a serpentina oppure in cui à ̈ previsto più di un canale 26 per veicolare il fluido termovettore in fase vapore verso il lato di condensazione. E’ infatti possibile prevedere soluzioni in cui il canale 24 si biforca in una coppia (o una terna e così via) di canali 26 che afferiscono a due (o più) bocche di afflusso separate su ciascun serbatoio 30. In tal caso, anche il condotto a sifone fra il canale 24 singolo e il serbatoio 30 può essere realizzato in forma “plurima†con più bocche di deflusso 16 direttamente connesse a rispettivi tratti di deflusso, quindi a rispettive prime anse, rispettivi tratti di risalita per poi avere due (o più) seconde anse che confluiscono nel canale 24. In tal modo, si avrebbe sostanzialmente un condotto a sifone per ciascun canale 26.

In figura 11 à ̈ indicata con il numero di riferimento 106 una ulteriore forma di esecuzione dello strato di scambio termico 6. Nell’esempio qui illustrato lo strato di scambio termico 106 comprende due dispositivi a condotto termico 116, ma naturalmente à ̈ possibile prevedere un numero diverso di dispositivi 116, da un minimo di uno a un massimo dipendente dalle dimensioni dello strato 106.

Ciascun dispositivo a condotto termico 116 comprende un circuito chiuso predisposto per la circolazione di un fluido termovettore e includente un lato di evaporazione e un lato di condensazione del fluido termovettore, indicati rispettivamente con i numeri di riferimento 118, 120.

Analogamente alla forma di esecuzione precedentemente descritta, lo strato di scambio termico 106 e ciascun dispositivo 116 sono realizzati unendo un primo e un secondo foglio di materiale metallico S1, S2 con tecnologia roll bond, ossia unendo i fogli S1, S2 in corrispondenza delle aree delimitanti il circuito chiuso di ciascun dispositivo 116, in modo da inoculare aria in pressione nelle regioni che definiscono il percorso del circuito chiuso per formare i volumi interni del circuito stesso.

In corrispondenza di una zona di interfaccia fra il lato di evaporazione 118 e il lato di condensazione 120 à ̈ provvista una zona adiabatica, funzionalmente analoga alla zona adiabatica dei dispositivi assorbitori precedentemente descritti, indicata con il numero di riferimento 125 e comprendente una prima e una seconda interruzione termica 125A, 125B, la prima con sviluppo rettilineo, la seconda con geometria a “V†. In tal modo il lato di condensazione ha una pianta sostanzialmente “a scalino†, in cui lo scalino à ̈ definito dalla interruzione termica con geometria a “V†. à ̈ possibile quindi individuare una estensione (longitudinale) massima e una estensione (longitudinale) minima per il lato di condensazione 120, rispettivamente LC, LC’.

Valori tipici possono essere:

- compresi fra 1,1 e 3 per LC/LC’

Le interruzioni termiche sono di preferenza realizzate mediante taglio laser, ma à ̈ possibile anche realizzarle mediante inserti di materiale termicamente isolante (preferibilmente passanti rispetto ai fogli S1, S2) oppure à ̈ possibile prevedere una combinazione di entrambe.

Il lato di evaporazione 118 comprende un primo canale 124 in comunicazione di fluido con una pluralità di secondi canali 126 che partono da un primo ramo collettore 128. Più in dettaglio, il canale 124 à ̈ in comunicazione di fluido con il ramo collettore 128 e i canali 126 mediante un primo condotto a sifone 129. I canali 124 e 126 hanno sviluppo di preferenza rettilineo e parallelo, ma altre soluzioni sono possibili.

Con riferimento alla figura 13, il condotto a sifone 129 comprende una prima e una seconda ansa 129A, 129B disposte fluidodinamicamente in serie, in cui la prima ansa 129A ha quota geometrica inferiore rispetto alla seconda ansa 129B.

Di preferenza, la prima ansa 129A realizza una curva di ampiezza pari a 180°, mentre la seconda ansa 129B realizza di preferenza una curva di ampiezza pari a 90°.

In altre parole, sempre con riferimento alla figura 13, il canale 124 sfocia direttamente nell’ansa 129a, la quale sostanzialmente realizza un’inversione del percorso del fluido termovettore rispetto al canale 124. L’ansa 129A sfocia quindi nell’ansa 129B, la quale realizza un parziale “raddrizzamento†del percorso del fluido termovettore sfociando nel ramo collettore 128, che ha quindi preferibilmente orientamento trasversale rispetto al canale 124.

I canali 126 affluiscono a un serbatoio 130 mediante un secondo ramo collettore 131. Il secondo ramo collettore 131 ha orientamento trasversale (preferibilmente) rispetto ai canali 126 (e 124) e in questa forma di esecuzione ha sezione di passaggio crescente procedendo dal canale 126 più lontano al canale 126 più vicino rispetto a un’uscita comune 131A.

Verranno ora meglio dettagliati i collegamenti fra il lato di condensazione 120 e il lato di evaporazione 118, in particolare i collegamenti fra il serbatoio 130 e i canali 124, 126.

Con riferimento alla figura 12, il primo canale 124 e i secondi canali 126 sono in comunicazione di fluido con il serbatoio 130 mediante, rispettivamente, una bocca di deflusso 132 e una bocca di afflusso 134, avente una quota geometrica superiore rispetto alla bocca di deflusso 132. Si osservi inoltre che il serbatoio 130 ha un fondo 130A inclinato verso la bocca di deflusso 132, ossia il fondo 130A ha un profilo che degrada dalla bocca di afflusso 134 verso la bocca 132 in modo da favorire il deflusso del fluido termovettore.

Più in dettaglio, il canale 124 à ̈ in comunicazione di fluido con la bocca 132 mediante un secondo condotto a sifone 136, funzionalmente analogo ai condotti a sifone precedentemente descritti, comprendente una prima e una seconda ansa 138, 140 disposte fluidodinamicamente in serie. La prima e la seconda ansa 138, 140 definiscono un percorso a doppia curva (con geometria sostanzialmente a “S†), in cui ciascuna ansa realizza una curva di ampiezza preferibilmente pari a 180°.

Analogamente ai condotti a sifone precedentemente descritti, il condotto 138 comprende un tratto di deflusso 138a che parte dalla bocca di deflusso 132 e sfocia nella prima ansa 138, e un tratto di risalita 140a nel quale sfocia la prima ansa 138 che a sua volta sfocia nella seconda ansa 140, la quale infine sfocia direttamente nel canale 124.

Si osservi inoltre che in questa forma di esecuzione la prima ansa 138 e la seconda ansa 140 sono disposte da parti opposte rispetto alla bocca di deflusso 132, in particolare l’ansa 140 à ̈ situata al di sopra della bocca 132.

Analogamente alle forme di esecuzione descritte, dette D138e D140le distanze, rispettivamente, fra il serbatoio 130 e le anse 138, 140, di preferenza la distanza D138Ã ̈ maggiore della distanza D140, ma in questa forma di esecuzione, data la disposizione delle anse, Ã ̈ possibile prevedere anche il contrario.

Infine, ciascun canale 124 à ̈ bordato da un’interruzione termica 144, di preferenza avente forma a “L†in modo da bordare anche il condotto a sifone 129, realizzabile ad esempio, mediante taglio laser o mediante un inserto di materiale termicamente isolante.

Solo uno dei fogli S1, S2 (in particolare il foglio S1) à ̈ rigonfio verso l’esterno in corrispondenza del percorso del circuito chiuso di ciascun dispositivo 116, per ragioni di accoppiamento ottimale con le celle fotovoltaiche 4.

Per quanto riguarda il funzionamento, poche sono le variazioni rispetto alla forma di esecuzione precedentemente descritta.

Nel circuito chiuso realizzato dai canali 124, 126, dal serbatoio 130 e da tutti i canali di collegamento fra i suddetti elementi circola un fluido termovettore che subisce un primo cambiamento di fase nel lato di evaporazione (liquido-vapore) e un secondo passaggio di fase nel lato di condensazione (vapore-liquido). Il pannello solare ibrido 1 viene installato in modo che ciascun dispositivo 116 sia disposto con il serbatoio 130 a una quota geometrica superiore rispetto al resto del circuito, cosicché il funzionamento avvenga essenzialmente per gravità.

Inoltre, l’elemento collettore 10 viene applicato in corrispondenza del lato di condensazione 118, come precedentemente descritto, in particolare sul foglio S1 (e dalla parte opposta viene disposta la piattabanda 12.

Il fluido termovettore lascia il serbatoio 130 in fase liquida (aiutato in parte dal profilo del fondo 130A) attraverso la bocca di deflusso 132 e percorre il condotto a sifone 138, quindi il primo canale 124. Quest’ultimo à ̈ atto a veicolare il fluido termovettore verso il primo ramo collettore 128 e verso ciascuno dei canali 126. Si osservi che l’evaporazione del fluido termovettore all’interno del canale 124 à ̈ scongiurata o per lo meno ostacolata dall’interruzione termica 144, che limita lo scambio termico conduttivo con le porzioni dei fogli S1, S2 circostanti.

Quando il fluido termovettore imbocca i canali 126, il flusso termico disperso dalle celle fotovoltaiche 4 viene trasferito al fluido termovettore che evapora e risale verso il ramo collettore 131 e verso la bocca di afflusso 134, attraverso la quale entra nel serbatoio 130. Nell’atraversare il lato di condensazione 120 il fluido termovettore condensa trasferendo calore al liquido nell’elemento collettore 10, che può quindi essere impiegato altrove, ad esempio come acqua calda sanitaria.

Si osservi che la sezione di passaggio variabile del ramo 131 consente di smaltire in modo ottimale la portata di fluido termovettore, poiché aumenta man mano che il ramo 131 intercetta un canale 126 più vicino all’uscita 131A.

In tal modo si limitano le disuniformità del campo di moto del fluido termovettore all’interno del circuito.

Il ciclo quindi si ripete durante il funzionamento di ciascun dispositivo 116, che si interrompe quando la differenza di temperatura fra il lato di condensazione e il lato di evaporazione à ̈ pressoché nulla.

La presenza dei condotti a sifone 129 e 136 à ̈ poi molto importante nell’ottica del mantenimento della controllabilità del flusso termico scambiato anche sotto condizioni di funzionamento gravose (ossia con forte radiazione solare incidente le celle fotovoltaiche 4). Analogamente ai condotti a sifone precedentemente descritti, il condotto a sifone 136 garantisce, grazie alla propria geometria, la presenza di fluido termovettore in fase liquida in un tratto compreso fra il serbatoio 130 e la seconda ansa 140.

Il condotto a sifone 129 inoltre fornisce un ulteriore contributo nell’ottica del mantenimento di una certa quantità di fluido termovettore in fase liquida anche a valle del canale 124 e immediatamente a monte dei canali 126. In particolare, grazie al condotto a sifone 129 à ̈ possibile mantenere fluido termovettore in fase liquida almeno nella prima ansa 129A e a monte di essa, ossia nel canale 124.

In forme di esecuzione alternative, à ̈ possibile prevedere la presenza del solo condotto a sifone 129. Lo stesso può essere applicato anche allo schema di circuito chiuso precedentemente descritto, con il quale à ̈ inoltre possibile implementare una soluzione a due sifoni distinti del tipo descritto in figura 11.

Sostanzialmente, nelle varie forme di esecuzione qui presentate ciascun dispositivo assorbitore solare comprende un serbatoio che à ̈ in comunicazione con uno o più canali atti a veicolare verso di esso il fluido termo vettore in fase vapore (“canale/i vapore†) mediante uno o più condotti a sifone. Gli uno o più canali vapore afferiscono inoltre al serbatoio stesso mediante una o più bocche di afflusso -rispetto alle quali gli uno o più condotti a sifone sono disposti fluidodinamicamente a monte -.

I suddetti condotti a sifone sono disposti a monte dei suddetti uno o più canali vapore e possono essere provvisti all’uscita del serbatoio a monte del canale atto a ricevere il fluido termovettore in fase liquida (“canale liquido†) o a valle di esso (e a monte del/dei canale/i vapore) o in entrambe i luoghi. Nel primo caso il condotto a sifone à ̈ connesso alla bocca di deflusso del serbatoio e sfocia nel canale liquido, collegando e mettendo in comunicazione di fluido il canale liquido e il serbatoio (ferma restando, naturalmente, la comunicazione di fluido che stabilisce fra il serbatoio e il/i canale/i vapore).

Nel secondo caso il condotto a sifone collega e stabilisce una comunicazione di fluido fra il canale liquido e il/i canale/i vapore (eventualmente tramite il ramo collettore 128, se presente), essendo disposto in corrispondenza di una zona di interfaccia fra essi.

Naturalmente, i particolari di realizzazione e le forme di esecuzione potranno essere ampiamente variate rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione, così come definite dalle rivendicazioni annesse.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pannello solare ibrido (1), comprendente: - uno strato fotovoltaico (2) includente una pluralità di celle fotovoltaiche (4), - uno strato di scambio termico (6; 106) includente mezzi di raffreddamento di dette celle fotovoltaiche (4), - un elemento collettore (10) predisposto per veicolare un fluido, particolarmente un liquido, in relazione di scambio termico con detto strato di scambio termico (6; 106), in cui detto strato di scambio termico (6; 106) comprende uno o più dispositivi a condotto termico (16; 116) atti a contenere un fluido termovettore, ciascun dispositivo a condotto termico (16; 116) comprendendo: - un lato di evaporazione (18; 118) di detto fluido termovettore predisposto per assorbire un flusso di calore da dette celle fotovoltaiche (4) e definente detti mezzi di raffreddamento, - un lato di condensazione (20; 120) di detto fluido termovettore, in corrispondenza del quale à ̈ applicato detto elemento collettore (10), dette celle fotovoltaiche (4) di detto strato fotovoltaico (2) essendo applicate in corrispondenza del lato di evaporazione (18; 118) di detti uno o più dispositivi a condotto termico (16; 116) ed essendo in relazione di scambio termico con essi, il pannello solare (1) essendo caratterizzato dal fatto che ciascun dispositivo a condotto termico (16; 116) comprende un circuito chiuso (24, 26, 28, 30, 36; 124, 126, 128, 130, 136) predisposto per la circolazione di detto fluido termovettore e includente un primo canale (24; 124) atto a ricevere il fluido termovettore da detto lato di condensazione (20; 120) in fase liquida e atto a veicolare il fluido termovettore verso almeno un secondo canale (26; 126), detto almeno un secondo canale (26; 126) essendo a sua volta atto a veicolare il fluido termovettore in fase vapore verso detto lato di condensazione (20; 120), e dal fatto che detto strato di scambio termico (6; 106) à ̈ realizzato mediante unione di un primo e un secondo foglio (S1, S2) di materiale metallico in corrispondenza di aree delimitanti il circuito chiuso (24, 26, 28, 30, 36; 124, 126, 128, 130, 136) di ciascun dispositivo a condotto termico (16; 116).
2. 2. Pannello solare (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che unicamente il primo foglio (S1) di materiale metallico di detto strato di scambio termico (6; 106) à ̈ rigonfio verso l'esterno in corrispondenza del percorso del circuito chiuso (24, 26, 28, 30, 36; 124, 126, 128, 130, 136) di detti uno o più dispositivi a condotto termico (16; 116), detto secondo foglio (S2) di materiale metallico avendo una superficie piana estendentesi almeno in corrispondenza del lato di evaporazione (18; 118) di detti uno o più dispositivi a condotto termico (16; 116), di preferenza lungo l'intera estensione di essi, detta superficie piana essendo accoppiata a dette celle fotovoltaiche (4).
3. 3. Pannello solare (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il lato di condensazione (20; 120) di ciascun dispositivo a condotto termico (16; 116) comprende: - un serbatoio (30; 130) in comunicazione di fluido con detto almeno un secondo canale (26; 126) mediante una bocca di afflusso (32; 132), e - almeno un condotto a sifone (36; 136) mediante il quale detto serbatoio (30; 130) Ã ̈ in comunicazione di fluido con detto almeno un secondo canale (26; 126).
4. 4. Pannello solare (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il lato di condensazione (20; 120) di ciascun dispositivo a condotto termico (16; 116) comprende un condotto a sifone (36; 136) disposto a monte di detto primo canale (24; 124) e connettente detto primo canale a detta bocca di deflusso (32; 132), detto condotto a sifone (36; 136) comprendendo una prima e una seconda ansa (38, 40; 138, 140) disposte fluidodinamicamente in serie.
5. 5. Pannello solare (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che ciascun condotto a sifone (36; 136) comprende inoltre: - un tratto di deflusso (38a; 138a) connesso a detta bocca di deflusso (32; 132) e sfociante in detta prima ansa (38; 138), e - un tratto di risalita (40a; 140a) nel quale sfocia detta prima ansa (38; 138), detto tratto di risalita (40a; 140a) sfociando a sua volta in detta seconda ansa (40; 140), la quale sfocia in detto primo canale (24; 124).
6. 6. Pannello solare (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il lato di evaporazione (118) di ciascun dispositivo a condotto termico (116) comprende un ulteriore condotto a sifone (129) disposto a valle di detto primo canale (124) in corrispondenza di un’interfaccia fra detti primo e almeno un secondo canale (124, 126).
7. 7. Pannello solare (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto lato di condensazione (20; 120) à ̈ accoppiato a detto elemento collettore (10) in corrispondenza del serbatoio (30; 130) di ciascuno di detti uno o più dispositivi a condotto termico (16; 116).
8. 8. Pannello solare (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto strato di scambio termico (6; 106) comprende una zona adiabatica (22; 125) in corrispondenza di un’interfaccia fra detto lato di evaporazione (18; 118) e detto lato di condensazione (20; 120) di ciascuno di detti uno o più dispositivi a condotto termico (16; 116), in cui detta zona adiabatica (22; 125) comprende una pluralità di interruzioni termiche.
9. 9. Pannello solare (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre un pannello dorsale (8) disposto a contatto con detto primo foglio (S1) di materiale metallico da una parte opposta rispetto a detto strato fotovoltaico (2), in cui detto pannello solare (1) comprende inoltre una cornice (14) predisposta per chiudere a pacco fra loro detto strato fotovoltaico (2), detto strato di scambio termico (6; 106) e detto pannello dorsale (8).
10. 10. Pannello solare (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il primo canale (24; 124) di ciascun dispositivo a condotto termico (16; 116) é bordato da una prima e una seconda interruzione termica (42, 44; 144) comprendenti: - interruzioni realizzate mediante taglio laser, - inserti di materiale termicamente isolante, o - una combinazione di essi.